O futuro dos dispositivos vestíveis para cuidados de saúde

O uso de eletrônicos vestíveis que monitoram continuamente os biossinais transformou os setores de saúde e fitness. Esses dispositivos estão se tornando cada vez mais comuns e devem atingir uma avaliação de mercado de aproximadamente USD 572,06 bilhões até 2033.

Com esse rápido crescimento, há uma demanda crescente por bioeletrodos de alta qualidade, capazes de registrar biossinais com precisão por períodos prolongados. No entanto, muitos dos materiais atualmente usados ​​para bioeletrodos, como metais, polímeros condutores e hidrogéis, têm limitações. Eles geralmente não têm a flexibilidade para esticar a pele sem quebrar e têm baixa permeabilidade à umidade, levando ao acúmulo de suor e desconforto.

Para abordar essas limitações, em um estudo publicado na revista Materiais NPG Ásia em 20 de junho de 2024, uma equipe de pesquisa liderada pelo professor assistente Tatsuhiro Horii e pelo professor associado Toshinori Fujie do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) desenvolveu um material de bioeletrodo que é elástico e permeável à umidade e se adapta perfeitamente à pele.

Este material inovador é composto de camadas de redes fibrosas condutoras consistindo de nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs) em uma nanofolha elástica de poli(estireno-b-butadieno-b-estireno) (SBS). A nanofolha se adapta firmemente à pele, permitindo medições precisas de biossinais, enquanto as fibras de nanotubos de carbono mantêm a elasticidade e a permeabilidade à umidade do material.

“Eletrodos autossustentáveis ​​que sejam elásticos, permeáveis ​​à umidade e adaptáveis ​​às irregularidades da superfície da pele são necessários para permitir a deformação natural da pele sem restringir os movimentos do corpo”, diz Horii.

Os pesquisadores aplicaram SWCNTs como dispersões aquosas em nanofolhas de SBS, criando múltiplas camadas atingindo uma espessura de apenas 431 nm. Cada revestimento de SWCNTs aumentou a densidade e a espessura das fibras, modificando as características do bioeletrodo. Enquanto adicionar mais camadas de SWCNT aumentou a rigidez da nanofolha (de um módulo elástico inicial de 48,5 MPa para 60,8 MPa para uma única camada e 104,2 MPa para cinco camadas), o bioeletrodo manteve uma flexibilidade impressionante.

Nanofolhas de SBS puras e aquelas com uma ou três camadas de SWCNTs (SWCNT 3rd-SBS) esticaram elasticamente em 380% de seu comprimento original antes da deformação permanente. Essa flexibilidade supera eletrodos de metal como ouro, que têm módulos de Young na faixa de várias centenas de GPa e podem esticar apenas menos de 30% de seu comprimento original antes de quebrar.

Outro requisito crucial para bioeletrodos é a alta permeabilidade ao vapor de água para evitar o acúmulo de suor durante o exercício. Adicionar SWCNTs é benéfico, pois sua estrutura de rede fibrosa melhora a respirabilidade em comparação com filmes contínuos. Em experimentos medindo a taxa de transmissão de vapor de água (WVTR), os pesquisadores descobriram que o SWCNT 3rd-SBS exibiu um WVTR de 28.316 gm^-2 (2 horas)^-1que é o dobro da pele normal.

O material do bioeletrodo também é altamente resiliente para uso prolongado. Para testar a durabilidade do material, os pesquisadores imergiram os bioeletrodos em suor artificial e os submeteram a flexões repetidas, medindo a mudança na resistência.

Nesses testes, eles descobriram que a resistência aumentou de forma insignificante, em apenas 1,1 vez no suor e em 1,3 vez em 300 ciclos de flexão. Além disso, as nanofolhas SWCNT 3rd-SBS mostraram pouco ou nenhum descolamento após serem esfregadas dez vezes, indicando sua adequação para uso prolongado.

Para avaliar seu desempenho no mundo real, os pesquisadores compararam uma nanofolha de SBS com três camadas de SWCNT a materiais de bioeletrodos disponíveis comercialmente, como eletrodos de gel Ag/AgCl. Os bioeletrodos foram fixados no antebraço, e medições de eletromiografia de superfície (sEMG) foram feitas durante movimentos de preensão.

Neste experimento, o desempenho da nanofolha SWCNT-SBS foi comparável ao dos eletrodos de gel Ag/AgCl comerciais, alcançando relações sinal-ruído semelhantes de 24,6 dB e 33,3 dB, respectivamente.

“Obtivemos bioeletrodos adaptáveis ​​à pele com alta permeabilidade ao vapor de água, que apresentaram desempenho comparável em medições de sEMG aos eletrodos convencionais”, conclui Fujie, destacando as capacidades promissoras do material para dispositivos vestíveis de assistência médica.