Biossensor subcutâneo para monitoramento a longo prazo do álcool no sangue

Um sensor subcutâneo com um tamanho de 0,85 × 1,5 mm para monitorar a concentração de álcool no sangue contra uma moeda de um centavo com um diâmetro de 19 mm. Foto: David Baillot / UC San Diego Jacobs Escola de Engenharia

O monitoramento contínuo da concentração de álcool no sangue é uma tarefa importante, cuja solução pode salvar milhões de vidas. Se o monitoramento for realizado automaticamente com a transmissão de dados via comunicação sem fio, esse sensor será facilmente conectado ao sistema de controle do carro - e uma pessoa com uma concentração de álcool no sangue acima do nível permitido nunca ficará ao volante de um carro. O motor simplesmente não liga.

Além disso, a pedido da transportadora, esses sensores podem enviar informações automaticamente às agências policiais e ambulâncias para responder automaticamente a concentrações extremas de álcool. Não é segredo que uma proporção significativa de crimes graves e suicídios são cometidos enquanto intoxicados. Esse monitoramento também salvará muitas vidas.

Os engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveram um biosensor em miniatura de potência ultra baixa e implantável que pode ser usado para monitoramento contínuo e prolongado de álcool. O chip é pequeno o suficiente para ser implantado no corpo diretamente abaixo da superfície da pele e é alimentado por um dispositivo vestível sem fio - por exemplo, um smartphone, smartwatch ou outro dispositivo vestível.

Um microcircuito em miniatura medindo 0,85 × 1,5 mm requer apenas 970 nanowatts para operar. A transmissão de dados é realizada pelo método de retroespalhamento (tempo de medição - não mais que três segundos). Em princípio, uma quantidade tão pequena de energia pode ser produzida diretamente do corpo humano: por exemplo, decompondo o açúcar no sangue ou pela diferença de temperatura entre os circuitos interno e externo do microcircuito. Ou de várias fontes de fundo: vibração, ondas de rádio etc. Mas, neste caso, os desenvolvedores implementaram a maneira mais fácil de obter energia de um transmissor externo permanente, que pode ser qualquer dispositivo eletrônico ou eletrônico vestível.


O sensor foi comparado com a borda de uma moeda de um centavo com uma espessura de 1,55 mm. Foto: David Baillot / UC San Diego Jacobs Escola de Engenharia

"O objetivo final deste trabalho é desenvolver um dispositivo permanente e discreto de monitoramento de álcool e drogas para pacientes em programas de tratamento de drogas", diz o gerente de projeto Drew Hall, professor de engenharia elétrica da Escola de Engenharia da Universidade de San Diego Jacobs. Drew Hall também trabalha com o Wireless Center e o Wearable Sensor Center , que trabalham na Universidade da Califórnia, em San Diego.

Um dos problemas dos pacientes nos programas de tratamento de dependência é a falta de ferramentas convenientes para o monitoramento contínuo. A maneira mais comum de medir os níveis de álcool no sangue agora é com bafômetros, dispositivos bastante desajeitados. Para usá-los, você precisa entrar em contato com o paciente e pedir assistência, o que nem sempre é possível e conveniente. Além disso, os bafômetros não dão um resultado muito preciso e podem ser enganados. Um exame de sangue é o método mais preciso, mas deve ser realizado por um especialista qualificado.

Como método alternativo de medir o nível de álcool no sangue, foi proposto o uso de tatuagens especiais no corpo com sensores de álcool integrados, mas eles não apresentam desvantagens. Essas tatuagens são fáceis de remover - e destinam-se ao uso único (ou seja, as próprias tatuagens são temporárias). De acordo com os desenvolvedores do novo sensor, a injeção subcutânea é a opção mais confiável para o monitoramento a longo prazo e preciso dos níveis de álcool no sangue por muitos meses e anos.


Um sensor hipodérmico comparado a um centavo e a ponta de uma agulha de biópsia medindo 16G (1,65 mm). Foto: David Baillot / UC San Diego Jacobs Escola de Engenharia

Um chip biossensor com um volume de cerca de um milímetro cúbico é inserido sob a pele no fluido intersticial que circunda as células do corpo. O sensor é revestido com álcool oxidase (EC 1.1.3.13) . Essa enzima interage seletivamente com o álcool e produz miudezas que podem ser detectadas eletroquimicamente. Os sinais elétricos são transmitidos sem fio para um dispositivo vestível adjacente, como um relógio inteligente, que também atua como fonte de energia sem fio para o chip. Dois sensores adicionais no chip medem sinais de fundo e níveis de pH para refinar as leituras de concentração de álcool. Um estabilizador de tensão de baixa voltagem usa métodos amperométricos e potenciométricos com uma sensibilidade de 2,5 nanoamer e 0,5 milivolt, respectivamente.

O chip já foi testado em laboratório em uma mistura de etanol em soro humano diluído sob camadas de pele de porco. Agora, os cientistas planejam realizar experimentos com porcos vivos. Os inventores entraram com um pedido de patente para esta tecnologia.

O artigo científico “Um BioMote injetável multiparâmetros sub-1 μW para monitoramento contínuo de álcool” foi apresentado na Conferência de circuitos integrados personalizados da IEEE em San Diego em 10 de abril de 2018.