Northwestern University lança dispositivo vestível para medir a respiração da pele

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Medindo apenas dois centímetros de comprimento e um centímetro e meio de largura, o aparelho é composto por uma câmara, um conjunto de sensores, uma válvula programável, um circuito eletrônico e uma pequena bateria recarregável. Em vez de tocar diretamente a pele, a câmara paira alguns milímetros acima dela. (Imagem:Cortesia de John Rogers)
Pesquisadores da Northwestern University desenvolveram o primeiro dispositivo vestível para medir gases emitidos e absorvidos pela pele. Ao analisar estes gases, o dispositivo oferece uma nova forma de avaliar a saúde da pele, incluindo a monitorização de feridas, a detecção de infecções cutâneas, o acompanhamento dos níveis de hidratação, a quantificação da exposição a produtos químicos ambientais nocivos e muito mais.

A nova tecnologia compreende uma coleção de sensores que medem com precisão as mudanças de temperatura, vapor de água, dióxido de carbono (CO2) e compostos orgânicos voláteis (COV), cada um fornecendo informações valiosas sobre várias condições da pele e saúde geral. Esses gases fluem para uma pequena câmara dentro do dispositivo que paira sobre a pele sem realmente tocá-la. Este design sem contato é particularmente útil para coletar informações sobre pele frágil sem perturbar tecidos delicados.

O estudo, publicado na revista Nature , demonstra a eficácia do dispositivo em pequenos animais e humanos.

“Este dispositivo é uma evolução natural dos dispositivos eletrônicos vestíveis do nosso laboratório que coletam e analisam o suor”, disse John A. Rogers, da Northwestern, que co-liderou o estudo. "Nesse caso, estávamos analisando o suor para aprender sobre a saúde geral do usuário. Embora útil, esse método requer estimulação farmacológica das glândulas sudoríparas ou exposição a um ambiente quente e úmido. Começamos a pensar no que poderíamos capturar da pele que ocorre naturalmente o tempo todo. Acontece que há todos os tipos de coisas saindo da superfície da pele - vapor de água, dióxido de carbono e compostos orgânicos voláteis - que podem ser correlacionados à saúde fisiológica subjacente."

“Esta tecnologia tem o potencial de transformar os cuidados clínicos, especialmente para populações vulneráveis, incluindo recém-nascidos, idosos, pacientes com diabetes e outros com pele comprometida”, disse Guillermo A. Ameer da Northwestern, que co-liderou o estudo. "A beleza do nosso dispositivo é que encontramos uma maneira completamente nova de avaliar o estado da pele delicada sem ter que entrar em contato com feridas, úlceras ou escoriações. Este dispositivo é o primeiro grande passo para medir as alterações nos gases e correlacionar essas alterações com o estado da pele."

Pioneiro da bioeletrônica, Rogers é professor Louis Simpson e Kimberly Querrey de Ciência e Engenharia de Materiais, Engenharia Biomédica e Cirurgia Neurológica na Northwestern - com nomeações na Escola de Engenharia McCormick da Northwestern e na Escola de Medicina Feinberg - e diretor do Instituto Querrey Simpson de Bioeletrônica. Ameer é professor Daniel Hale Williams de Engenharia Biomédica na McCormick, professor de cirurgia na Feinberg e diretor do Centro de Engenharia Regenerativa Avançada. Rogers e Ameer co-lideraram o estudo com Yonggang Huang, professor Jan e Marcia Achenbach em Engenharia Mecânica e professor de engenharia civil e ambiental.

Chamada de barreira cutânea, a camada mais externa da pele é a primeira linha de defesa do corpo contra o ambiente externo. Mantém a hidratação evitando a perda excessiva de água e atua como barreira contra irritantes, bactérias e radiação ultravioleta. Quando a barreira da pele está comprometida, pode levar ao aumento da perda de água (conhecida como perda de água transepidérmica ou TEWL), sensibilidade da pele e risco de infecção e condições inflamatórias como eczema e psoríase.

“A pele é fundamental para nos proteger do meio ambiente”, disse a coautora do estudo, Dra. Amy Paller, professora de dermatologia Walter J. Hamlin e presidente do Departamento de Dermatologia da Feinberg. “Um elemento importante desta função protetora é a barreira da pele, que é amplamente caracterizada por uma coleção formidável de proteínas e gorduras fortemente entrelaçadas que mantém a água dentro e os irritantes, toxinas, micróbios e alérgenos fora.”

Ao rastrear alterações na emissão de vapor de água e gases da pele, os profissionais de saúde podem ter uma ideia da integridade das barreiras cutâneas dos seus pacientes. Embora existam tecnologias para medir a perda de vapor de água, elas são máquinas grandes e pesadas que residem em grande parte em ambientes hospitalares. O dispositivo vestível compacto, por outro lado, foi projetado para ajudar os médicos a monitorar seus pacientes remotamente e capacitar os indivíduos a assumir o controle da saúde de sua própria pele em casa.

“O padrão ouro para medição da integridade da barreira cutânea é um grande instrumento com uma sonda que é tocada intermitentemente na pele para coletar informações sobre a perda de água transepidérmica – ou o fluxo de água através da pele”, disse Paller. “Ter um dispositivo que possa medir a perda de água transepidérmica remotamente, continuamente ou conforme programado pelo investigador – e sem perturbar o paciente durante o sono – é um grande avanço.”

Medindo apenas dois centímetros de comprimento e um centímetro e meio de largura, o aparelho é composto por uma câmara, um conjunto de sensores, uma válvula programável, um circuito eletrônico e uma pequena bateria recarregável. Em vez de tocar diretamente a pele, a câmara paira alguns milímetros acima dela.

“Os sensores vestíveis tradicionais dependem do contato físico com a pele, limitando seu uso em situações sensíveis, como tratamento de feridas ou para indivíduos com pele frágil”, disse Rogers. “Nosso dispositivo supera essa limitação criando uma câmara pequena e fechada acima da superfície da pele.”

Uma válvula automática abre e fecha a entrada desta câmara – uma função que controla dinamicamente o acesso entre a câmara fechada e o ar ambiente circundante. Quando a válvula está aberta, os gases fluem para dentro ou para fora da câmara, permitindo que o dispositivo estabeleça uma medição de linha de base. Então, quando a válvula fecha rapidamente, ela retém gases dentro da câmara. A partir daí, a série de sensores mede as mudanças nas concentrações de gases ao longo do tempo.

“Se nosso dispositivo não incorporasse uma válvula programável e uma abordagem de medição dinâmica no tempo para quantificar o fluxo de espécies para fora e para dentro da pele em tempo real, então o sistema poderia ser confundido por mudanças nas concentrações dessas espécies que podem variar naturalmente no ambiente circundante”, disse Rogers. "Se a válvula estivesse aberta o tempo todo, o sensor detectaria esse tipo de mudança - não por causa de algo associado à pele. Por outro lado, se a válvula estivesse sempre fechada, ela perturbaria os padrões naturais de fluxo de uma forma que também não levaria em conta os fatores ambientais. Para trabalhadores em ambientes potencialmente perigosos, é útil saber quanto dessas espécies perigosas estão entrando no corpo através da pele."

Usando Bluetooth, o dispositivo envia esses dados diretamente para um smartphone ou tablet para monitoramento em tempo real. Estes resultados rápidos podem ajudar os profissionais de saúde a tomar decisões mais informadas – e mais rápidas – no tratamento de feridas e na administração de antibióticos.

Como o aumento do vapor de água, do CO2 e dos COV estão associados ao crescimento bacteriano e ao atraso na cicatrização, a monitorização destes factores pode ajudar os prestadores de cuidados a detectar infecções mais cedo e com mais confiança.

“Prescrever antibióticos para feridas pode ser um pouco arriscado”, disse Ameer, especialista em abordagens de engenharia regenerativa para melhorar a cicatrização de feridas. "Às vezes é difícil dizer se uma ferida está infectada ou não. Quando for óbvio, pode ser tarde demais e o paciente pode desenvolver sepse, o que é extremamente perigoso. Para evitar isso, os médicos prescrevem um amplo espectro de antibióticos. Isso pode levar à resistência aos antibióticos, que é um problema crescente nos cuidados de saúde. Ser capaz de monitorar de perto e continuamente uma ferida e prescrever um antibiótico ao primeiro sinal de infecção é um interesse óbvio e importante."

Embora o monitoramento contínuo seja importante para todos os tipos de feridas, é particularmente crucial para pacientes diabéticos. Ameer já desenvolveu várias estratégias, incluindo géis antioxidantes e bandagens regenerativas, para o tratamento de úlceras diabéticas. Há apenas dois anos, Ameer se uniu a Rogers para criar o primeiro curativo eletrônico transitório, que usava estimulação elétrica para acelerar a cicatrização de feridas. Este novo wearable fornece mais uma ferramenta para ajudar estes pacientes vulneráveis ​​a evitar efeitos secundários arriscados.

“As úlceras diabéticas são a causa não traumática número um de amputações de membros inferiores em todo o mundo”, disse Ameer. "Às vezes pode parecer que a ferida está fechando, mas a função de barreira da pele não foi totalmente restaurada. Nosso dispositivo pode medir com precisão os gases emitidos, o que fornece informações úteis sobre a função de barreira da pele."

Esta nova tecnologia inovadora não só oferece conhecimentos sem precedentes sobre a cicatrização de feridas e a saúde da pele, como também pode abrir caminho para avanços na monitorização da eficácia de repelentes de insectos, cremes para a pele e medicamentos sistémicos concebidos para melhorar a saúde da pele.

CO2 e VOCs são os gases que atraem mosquitos e outras pragas. Assim, medir estas emissões da pele poderia ajudar os investigadores a compreender e potencialmente mitigar a atração dos mosquitos. O novo dispositivo também poderá permitir aos dermatologistas e aos seus pacientes medir a rapidez com que as loções e cremes penetram na pele, o que poderá fornecer informações sobre a permeabilidade da pele e a função da barreira. Esses dados também poderiam ajudar outros pesquisadores a desenvolver sistemas de administração transdérmica de medicamentos mais eficazes, monitorar os efeitos de medicamentos administrados sistemicamente para doenças de pele e avaliar a segurança de cosméticos e produtos de higiene pessoal.

Em seguida, a equipe da Northwestern planeja refinar as capacidades do dispositivo, incluindo a adição de um sensor para rastrear mudanças nos níveis de pH e o desenvolvimento de sensores de gás com maior seletividade química para detecção precoce de disfunções orgânicas e outras doenças.

“Esta plataforma vestível incomum oferece uma nova maneira de pensar e compreender a saúde da pele”, disse Rogers. "Esta tecnologia não se trata apenas de medir gases e características correspondentes da pele. Trata-se de prever a saúde geral, prevenir infecções e doenças e criar um futuro onde o atendimento personalizado é impulsionado pelo monitoramento contínuo da saúde, em tempo real, não invasivo, por meio de uma nova coleção de parâmetros que complementam aqueles que podem ser capturados com dispositivos vestíveis convencionais."

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