Sensor Inteligente Revolucionário Aprimora Monitoramento de Feridas com Rastreamento Preciso de Temperatura e Deformação

Penn State College of Engineering, University Park, PA

O sensor flexível, ideal para uso no corpo humano, usa grafeno induzido a laser para medir simultaneamente, mas separadamente, temperatura e deformação, potencialmente permitindo melhor monitoramento da cicatrização de feridas ao fornecer insights mais claros sobre inflamação e recuperação.

Desafio: Separar Sinais Simultâneos

Um grande desafio em sensores vestíveis autônomos para monitoramento de saúde é distinguir diferentes sinais quando ocorrem simultaneamente. Pesquisadores da Penn State e da Hebei University of Technology 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 mede com precisão tanto temperatura quanto deformação física simultaneamente, mas separadamente, para identificar diversos sinais com mais precisão.

"Este material de sensor único que desenvolvemos tem aplicações potencialmente importantes em monitoramento de saúde," disse Huanyu "Larry" Cheng, Professor Associado James L. Henderson, Jr. Memorial de Ciência e Mecânica de Engenharia (ESM) na Penn State e co-autor correspondente do estudo publicado na Nature Communications. "Ao medir com precisão tanto mudanças de temperatura quanto deformação física, ou tensão, criada por uma ferida em cicatrização e medir isso separando os dois sinais, poderia revolucionar o rastreamento da cicatrização de feridas. Médicos poderiam obter uma imagem muito mais clara do processo de cicatrização, identificando problemas como inflamação precocemente."

Grafeno Induzido a Laser (LIG) e Propriedades Termoelétricas

Os pesquisadores buscaram medir sinais de temperatura e deformação sem interferência cruzada (cross-talk) usando grafeno induzido a laser (LIG), um material bidimensional (2D). Como todos os materiais 2D, incluindo grafeno regular, o grafeno induzido a laser tem espessura de um a poucos átomos com propriedades únicas, mas com uma diferença. O grafeno induzido a laser forma quando um laser aquece certos materiais ricos em carbono — como plástico ou madeira — de forma que converte sua superfície em estrutura de grafeno. O laser essencialmente "escreve" o grafeno diretamente no material, tornando-o uma forma simples e escalável de produzir padrões de grafeno para eletrônica, sensores e dispositivos de energia.

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

"Em nosso estudo, meio que tropeçamos no fato de que este material também tem propriedades termoelétricas," disse Cheng. "Acreditamos que esta é a primeira vez que alguém relata grafeno induzido a laser tendo capacidades termoelétricas. E isso é realmente importante para o que estamos tentando fazer aqui, que é medir separadamente tanto mudanças de temperatura quanto deformação física ou tensão."

Propriedades termoelétricas em 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 colheita de energia e sensoriamento de temperatura. Segundo Cheng, esta propriedade termoelétrica recém-identificada do LIG facilita a separação das duas medições do sensor, tornando-o ideal para aplicações de saúde como sensor embutido em curativo.

"Quando você tem materiais sensíveis tanto a temperatura quanto a deformação, pode ser difícil saber qual sinal é causado por mudanças no material," disse Cheng. "Mas usando este efeito termoelétrico no grafeno induzido a laser, podemos essencialmente desacoplar estas duas medições. Podemos olhar a resistência elétrica para obter informação sobre a deformação, enquanto também medimos a tensão térmica para determinar a temperatura. É por isso que médicos poderiam usá-lo para rastrear tanto flutuações de temperatura quanto mudanças físicas no local da ferida e obter uma imagem muito mais clara de como a cicatrização está progredindo."

Desempenho e Características

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 grafeno poroso e 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 conformar-se a diferentes formas e superfícies, sem perder função.

"A estrutura porosa deste material cria muitos pequenos espaços e canais que permitem interagir com seu entorno de forma muito sensível," disse Cheng. "Isso o torna adequado para interface com tecidos moles humanos, em contraste com materiais termoelétricos mais rígidos, como os baseados em cerâmica."

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

Futuro: Sistema Sem Fio para Monitoramento Remoto

Além de refinar o sensor, a equipe está desenvolvendo um sistema sem fio que permitirá monitorar dados do sensor remotamente. Isso tornará possível rastrear informações importantes, como temperatura ou deformação, em tempo real usando smartphones ou outros dispositivos.

"Por exemplo, um médico poderia monitorar a condição de um paciente à distância, ou socorristas poderiam receber alertas sobre mudanças perigosas de temperatura," disse Cheng. "Estes avanços visam tornar a tecnologia mais acessível e eficaz, ajudando a melhorar monitoramento de saúde e segurança em situações cotidianas."

Para mais informações, entre em contato em huanyu.cheng@psu.edu.