Il biosensore è composto da un lettore di induttanza-capacità-resistenza (LCR) e da un sensore LCR con una chemiresistore a base di enzimi.
La configurazione ha un fattore di alta qualità (Q), che lo rende altamente sensibile.
Credito: Professor Takeo Miyake della Waseda University
I biosensori indossabili wireless sono stati un punto di svolta nel monitoraggio sanitario personalizzato e nella digitalizzazione dell’assistenza sanitaria perché possono rilevare, registrare e monitorare in modo efficiente segnali biologici significativi dal punto di vista medico. Le antenne risonanti senza chip sono componenti molto promettenti dei biosensori indossabili, poiché sono convenienti e trattabili. Tuttavia, le loro applicazioni pratiche sono limitate dalla bassa sensibilità (incapacità di rilevare piccoli segnali biologici) causata dal basso fattore di qualità (Q) del sistema.
Per superare questo ostacolo, i ricercatori guidati dal professor Takeo Miyake della Waseda University, dal professor Yin Sijie del Beijing Institute of Technology e da Taiki Takamatsu della Japan Aerospace Exploration Agency, hanno sviluppato un biorisonatore wireless utilizzando la “simmetria del tempo di parità (PT)” che può rilevare minuscoli segnali biologici. Il loro lavoro è stato pubblicato su Advanced Materials Technologies .
In questo studio, i ricercatori hanno progettato un biorisonatore costituito da un lettore e un sensore accoppiati magneticamente con un fattore Q elevato e, quindi, una maggiore sensibilità ai cambiamenti biochimici . Il lettore e il sensore comprendono entrambi un induttore (L) e un condensatore (C) collegati in parallelo a un resistore (R).
Nel sensore, il resistore è un sensore chimico chiamato “chemiresistore” che converte i segnali biochimici in variazioni di resistenza. Il chemiresistore contiene un elettrodo enzimatico con un enzima immobilizzato. Minuscole variazioni biochimiche all’elettrodo enzimatico (in risposta ai cambiamenti nei livelli di biomolecole come lo zucchero nel sangue o il lattato) vengono così convertite in segnali elettrici dal sensore e quindi amplificate al lettore.
Spiegando il concetto tecnico alla base del loro nuovo biosensore, Miyake afferma: “Abbiamo modellato le caratteristiche del sistema di rilevamento wireless simmetrico PT utilizzando una soluzione di autovalori e un’impedenza di ingresso, e abbiamo dimostrato sperimentalmente il miglioramento della sensibilità in/vicino al punto eccezionale utilizzando l’induttanza parallela –capacità-resistenza (LCR) risonatori.”
“Il biorisonatore simmetrico PT basato sulla modulazione di ampiezza sviluppato è in grado di rilevare piccoli segnali biologici che fino ad ora erano difficili da misurare in modalità wireless. Inoltre, il nostro sistema simmetrico PT fornisce due tipi di modalità di lettura: commutazione basata sulla soglia e rilevamento lineare migliorato. Diverso le modalità di lettura possono essere utilizzate per diversi campi di rilevamento.”
I ricercatori hanno testato il sistema (qui contenente un enzima specifico per il glucosio) su fluidi lacrimali umani e hanno scoperto che poteva rilevare concentrazioni di glucosio comprese tra 0,1 e 0,6 mM. Lo hanno anche testato con un enzima specifico del lattato e pelle umana disponibile in commercio e hanno scoperto che poteva misurare i livelli di lattato nell’intervallo da 0,0 a 4,0 mM attraverso il tessuto cutaneo umano, senza alcuna perdita di sensibilità.
Questo risultato indica inoltre che il biosensore può essere utilizzato come dispositivo impiantabile. Rispetto a un sistema convenzionale basato su antenna risonante senza chip, il sistema PT-simmetrico ha raggiunto rispettivamente una sensibilità 2000 volte superiore nel rilevamento lineare e una variazione relativa del 78% nel rilevamento basato sulla soglia.
Condividendo la sua visione per il futuro, Miyake conclude: “L’attuale sistema di telemetria è robusto e regolabile. Può migliorare la sensibilità dei sensori a piccoli segnali biologici. Prevediamo che questa tecnologia possa essere utilizzata per lo sviluppo di lenti a contatto intelligenti per rilevare il glucosio lacrimale e /o dispositivi medici impiantabili per rilevare il lattato per un monitoraggio efficiente del diabete e dell’avvelenamento del sangue.”