Northwestern University Revela Dispositivo Vestível para Medir Respiração Cutânea

Medindo apenas dois centímetros de comprimento e um centímetro e meio de largura, dispositivo compreende câmara, coleção de sensores, válvula programável, circuito eletrônico e pequena bateria recarregável. Em vez de tocar pele diretamente, câmara paira poucos milímetros acima dela. (Imagem: Cortesia de John Rogers)

Pesquisadores da Northwestern University desenvolveram primeiro dispositivo vestível para medir gases emitidos e absorvidos pela pele. Analisando estes gases, dispositivo oferece nova forma de avaliar saúde da pele, incluindo monitoramento de feridas, detecção de infecções cutâneas, rastreamento de níveis de hidratação, quantificação de exposição a produtos químicos ambientais nocivos, e mais.

Tecnologia e Sensores

Nova tecnologia compreende coleção de sensores que medem precisamente mudanças em temperatura, vapor de água, dióxido de carbono (CO2) e compostos orgânicos voláteis (VOCs), cada um dando insight valioso em várias condições de pele e saúde geral. Estes gases fluem para pequena câmara dentro do dispositivo que paira acima da pele sem tocá-la. Este design sem contato é particularmente útil para coletar informações sobre pele frágil sem perturbar tecidos delicados.

Publicação e Liderança

Estudo, publicado no periódico Nature, demonstra eficácia do dispositivo em pequenos animais e humanos.

"Este dispositivo é evolução natural dos nossos dispositivos eletrônicos vestíveis que coletam e analisam suor", disse John A. Rogers da Northwestern, co-líder do estudo. "Naquele caso, analisávamos suor para aprender sobre saúde geral do usuário. Embora útil, aquele método requer estimulação farmacológica de glândulas sudoríparas ou exposição a ambiente quente e úmido. Começamos a pensar no que poderíamos capturar da pele que ocorre naturalmente o tempo todo. Descobriu-se que há todo tipo de coisa 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 potencial para transformar cuidado clínico, particularmente para populações vulneráveis, incluindo recém-nascidos, idosos, pacientes com diabetes e outros com pele comprometida", disse Guillermo A. Ameer da Northwestern, co-líder do estudo. "Beleza do nosso dispositivo é que encontramos forma completamente nova de avaliar status de pele delicada sem ter que entrar em contato com feridas, úlceras ou abrasões. Este dispositivo é primeiro grande passo para medir mudanças em gases e correlacionar essas mudanças com status da pele."

Barreira Cutânea e Importância Clínica

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

"Pele é crítica para nos proteger do ambiente", disse coautora do estudo Dra. Amy Paller, Professora Walter J. Hamlin de Dermatologia e chefe do Departamento de Dermatologia em Feinberg. "Elemento principal desta função protetora é barreira cutânea, largamente caracterizada por formidável coleção de proteínas e gorduras firmemente tecidas que mantêm água dentro e irritantes, toxinas, micróbios e alérgenos fora."

Vantagens do Dispositivo Compacto

Rastreando mudanças na emissão de vapor de água e gases da pele, profissionais de saúde podem vislumbrar integridade das barreiras cutâneas dos pacientes. Embora tecnologias para medir perda de vapor de água existam, são máquinas grandes e incômodas que residem principalmente em hospitais. Dispositivo vestível compacto, por outro lado, é projetado para ajudar médicos a monitorar pacientes remotamente e capacitar indivíduos a assumir controle de própria saúde cutânea em casa.

"Padrão ouro para medição de integridade de barreira cutânea é instrumento grande com sonda que intermitentemente toca pele para coletar informação sobre perda de água transepidérmica — ou fluxo de água através da pele", disse Paller. "Ter dispositivo que pode medir perda de água transepidérmica remotamente, continuamente ou conforme programado pelo investigador — e sem perturbar paciente durante sono — é grande avanço."

Design e Operação

Medindo apenas dois centímetros de comprimento e um centímetro e meio de largura, dispositivo compreende câmara, coleção de sensores, válvula programável, circuito eletrônico e pequena bateria recarregável. Em vez de tocar pele diretamente, câmara paira poucos milímetros acima dela.

"Sensores vestíveis tradicionais dependem de contato físico com pele, limitando seu uso em situações sensíveis, como cuidado de feridas ou indivíduos com pele frágil", disse Rogers. "Nosso dispositivo supera esta limitação criando pequena câmara fechada acima da superfície da pele."

Válvula automática abre e fecha entrada desta câmara — função que controla dinamicamente acesso entre câmara fechada e ar ambiente circundante. Quando válvula abre, gases fluem para dentro ou fora da câmara, permitindo dispositivo estabelecer medição de linha de base. Então, quando válvula fecha rapidamente, aprisiona gases dentro da câmara. A partir daí, série de sensores mede mudanças em concentrações de gases ao longo do tempo.

"Se nosso dispositivo não incorporasse válvula programável e abordagem de medição dinâmica temporal para quantificar fluxo de espécies para fora e para dentro da pele em tempo real, sistema poderia ser confundido por mudanças nas concentrações dessas espécies que podem variar naturalmente no ambiente circundante", disse Rogers. "Se válvula ficasse aberta o tempo todo, sensor detectaria estas mudanças — não por nada associado à pele. Por outro lado, se válvula ficasse sempre fechada, perturbaria padrões naturais de fluxo de forma que também não poderia contabilizar fatores ambientais. Para trabalhadores em ambientes potencialmente perigosos, é útil saber quanto dessas espécies perigosas entram no corpo através da pele."

Transmissão de Dados e Aplicações Clínicas

Usando Bluetooth, dispositivo envia estes dados diretamente para smartphone ou tablet para monitoramento em tempo real. Estes resultados rápidos podem ajudar profissionais de saúde a tomar decisões mais informadas — e rápidas — para gerenciamento de feridas e administração de antibióticos.

Como aumento de vapor de água, CO2 e VOCs estão associados a crescimento bacteriano e cicatrização atrasada, monitorar estes fatores pode ajudar cuidadores a detectar infecções mais cedo e com mais confiança.

"Prescrever antibióticos para feridas pode ser aposta", disse Ameer, especialista em abordagens de engenharia regenerativa para melhorar cicatrização de feridas. "Às vezes é difícil saber se ferida está infectada ou não. Quando fica óbvio, pode ser tarde demais, e paciente pode desenvolver sepse, incrivelmente perigosa. Para evitar isso, médicos prescrevem amplo espectro de antibióticos. Isso pode levar a resistência a antibióticos, problema crescente na saúde. Poder monitorar ferida de perto, continuamente e prescrever antibiótico no primeiro sinal de infecção é interesse óbvio e importante."

Embora monitoramento contínuo seja importante para todos tipos de feridas, é particularmente crucial para pacientes diabéticos. Ameer desenvolveu anteriormente várias estratégias, incluindo géis antioxidantes e bandagens regenerativas, para tratar úlceras diabéticas. Dois anos atrás, Ameer juntou-se a Rogers para criar primeira bandagem eletrônica transitória, que usava estimulação elétrica para acelerar cicatrização. Este novo vestível fornece mais uma ferramenta para ajudar estes pacientes vulneráveis a evitar efeitos colaterais arriscados.

"Úlceras diabéticas são causa número um não traumática de amputações de membros inferiores mundialmente", disse Ameer. "Às vezes pode parecer que ferida está fechando, mas função de barreira cutânea não está totalmente restaurada. Nosso dispositivo pode medir precisamente gases emitidos, fornecendo informação útil sobre função de barreira cutânea."

Potencial Futuro

Esta nova tecnologia inovadora não apenas oferece insights sem precedentes sobre cicatrização de feridas e saúde cutânea, também pode pavimentar caminho para avanços em monitoramento de eficácia de repelentes de insetos, cremes para pele e medicamentos sistêmicos projetados para melhorar saúde cutânea.

CO2 e VOCs são gases que atraem mosquitos e outras pragas. Medir estas emissões da pele pode ajudar pesquisadores a entender e potencialmente mitigar atração de mosquitos. Novo dispositivo também pode permitir dermatologistas e pacientes medirem quão rápido loções e cremes penetram na pele, fornecendo insights sobre permeabilidade e função de barreira cutânea. Estes dados também podem ajudar outros pesquisadores a desenvolver sistemas de administração transdérmica de fármacos mais eficazes, monitorar efeitos de fármacos administrados sistematicamente para doenças de pele, e avaliar segurança de cosméticos e produtos de cuidado pessoal.

Próximos passos: equipe de Northwestern planeja refinar capacidades do dispositivo, incluindo adicionar sensor para rastrear mudanças em níveis de pH e desenvolver sensores de gás com seletividade química aumentada para detecção precoce de disfunção orgânica e outras doenças.

"Esta plataforma vestível incomum fornece nova forma de pensar e entender saúde cutânea", disse Rogers. "Esta tecnologia não é apenas sobre medir gases e características correspondentes da pele. É sobre prever saúde geral, prevenir infecção e doença e criar futuro onde cuidado personalizado é impulsionado por rastreamento de saúde contínuo, não invasivo, em tempo real, através de nova coleção de parâmetros que complementam aqueles capturados com vestíveis convencionais."

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