Sensor inteligente revolucionário aprimora o monitoramento de feridas com monitoramento preciso de temperatura e tensão

Faculdade de Engenharia da Penn State, University Park, PA
O sensor flexível, ideal para uso no corpo humano, utiliza grafeno induzido por laser para medir simultaneamente, mas separadamente, a temperatura e a tensão, permitindo potencialmente um melhor monitoramento da cicatrização de feridas, fornecendo informações mais claras sobre a inflamação e a recuperação. (Imagem:Jennifer M. McCann)
Um grande desafio em sensores vestíveis autoalimentados para monitoramento de cuidados de saúde é distinguir diferentes sinais quando eles ocorrem ao mesmo tempo. Pesquisadores da Penn State e da Universidade de Tecnologia de Hebei da China abordaram esta questão descobrindo uma nova propriedade de um material de sensor, permitindo à equipe desenvolver um novo tipo de sensor flexível que pode medir com precisão a temperatura e a tensão física simultaneamente, mas separadamente, para identificar com mais precisão vários sinais.

“Este material sensor exclusivo que desenvolvemos tem aplicações potencialmente importantes no monitoramento de cuidados de saúde”, disse Huanyu “Larry” Cheng, James L. Henderson, Jr. Memorial Professor Associado de Ciência da Engenharia e Mecânica (ESM) na Penn State e co-autor correspondente do estudo publicado na Nature Communications. "Ao medir com precisão as mudanças de temperatura e a deformação física, ou tensão, criada por uma ferida em cicatrização e medir isso separando os dois sinais, isso poderia revolucionar o rastreamento da cicatrização de feridas. Os médicos poderiam obter uma imagem muito mais clara do processo de cicatrização, identificando problemas como inflamação desde o início."

Os pesquisadores pretendiam medir com precisão os sinais de temperatura e deformação sem interferência usando grafeno induzido por laser (LIG), um material bidimensional (2D). Como todos os materiais 2D, incluindo o grafeno regular, o grafeno induzido por laser tem de um a alguns átomos de espessura e propriedades únicas, mas com uma peculiaridade. O grafeno induzido por laser se forma quando um laser aquece certos materiais ricos em carbono – como plástico ou madeira – de uma forma que converte sua superfície em uma estrutura de grafeno. O laser essencialmente “escreve” o grafeno diretamente no material, tornando-o uma forma simples e escalonável de produzir padrões de grafeno para eletrônicos, sensores e dispositivos de energia.

LIG já foi usado em diversas aplicações. Anteriormente, Cheng e sua equipe o usaram para sensores de gás, detectores eletroquímicos para análise de suor, supercapacitores e muito mais. No entanto, os pesquisadores acreditam ter descoberto uma nova propriedade do LIG que o torna ideal como um sensor multifuncional e preciso.

“Em nosso estudo, nos deparamos com o fato de que esse material também possui propriedades termoelétricas”, disse Cheng. "Acreditamos que esta é a primeira vez que alguém relata que o grafeno induzido por laser tem capacidades termoelétricas. E isso é realmente importante para o que estamos tentando fazer aqui, que é medir separadamente as mudanças de temperatura e a tensão ou deformação física."

As propriedades termoelétricas de um material referem-se à capacidade de converter diferenças de temperatura em tensão elétrica e vice-versa, permitindo que tais materiais sejam usados para aplicações como coleta de energia e detecção de temperatura. De acordo com Cheng, esta propriedade termoelétrica recém-identificada do LIG facilita a separação das duas medições do sensor, por isso é ideal para aplicações de saúde, como um sensor embutido em um curativo.

“Quando você tem materiais sensíveis à temperatura e à deformação, pode ser complicado dizer qual sinal é causado por mudanças no material”, disse Cheng. "Mas ao usar esse efeito termoelétrico no grafeno induzido por laser, podemos essencialmente dissociar essas duas medições. Podemos observar a resistência elétrica para obter informações sobre a deformação, ao mesmo tempo que medimos a tensão térmica para determinar a temperatura. É por isso que os médicos poderiam usá-lo para rastrear as flutuações de temperatura e as mudanças físicas no local da ferida e obter uma imagem muito mais clara de como a cicatrização está progredindo."

Ele também observou que o sensor é altamente sensível, detectando mudanças de temperatura tão pequenas quanto 0,5 graus Celsius. O design do material aproveita a forma como o grafeno poroso e os componentes termoelétricos trabalham juntos, tornando-o quase quatro vezes melhor na conversão de calor em eletricidade. O sensor também pode esticar até 45%, bem como se adaptar a diferentes formas e superfícies, sem perder a função.

“A estrutura porosa deste material cria muitos pequenos espaços e canais que lhe permitem interagir com o ambiente de uma forma muito sensível”, disse Cheng. “Isso o torna adequado para a interface com tecidos moles humanos, em contraste com materiais termoelétricos mais rígidos, como os à base de cerâmica.”

Como o aspecto termoelétrico do LIG significa que ele pode gerar energia elétrica quando há diferença de temperatura, os sensores LIG são autoalimentados. Segundo Cheng, isto pode ser particularmente útil para monitoramento contínuo em ambientes clínicos e para outras aplicações, como ajudar na detecção de incêndios em locais remotos.

Além de refinar o sensor, a equipe está desenvolvendo um sistema sem fio que permitirá às pessoas monitorar remotamente os dados do sensor. Isto permitirá rastrear informações importantes, como temperatura ou tensão, em tempo real através de smartphones ou outros dispositivos.

“Por exemplo, um médico pode monitorar a condição de um paciente à distância, ou equipes de emergência podem receber alertas sobre mudanças perigosas de temperatura”, disse Cheng. “Esses avanços visam tornar a tecnologia mais acessível e eficaz, ajudando a melhorar o monitoramento da saúde e a segurança nas situações cotidianas.”

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