Nuevas opciones para la salud, monitor ambiental

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imagen: Se puede usar un nuevo sensor de gas resistente al agua debajo de la nariz para detectar dióxido de nitrógeno en el aliento, cuya concentración puede indicar posibles enfermedades pulmonares.
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Crédito: Li Yang

PARQUE UNIVERSITARIO, Pensilvania. — Ahora es posible un monitoreo preciso y continuo del dióxido de nitrógeno y otros gases en ambientes húmedos, gracias a un nuevo sensor de gas resistente al agua desarrollado por Huanyu “Larry” Cheng, el James L. Henderson Jr. Memorial Profesor Asociado de Ciencias de la Ingeniería y Mecánica, y su equipo.

El sensor detecta dióxido de nitrógeno en el aliento, cuya concentración puede indicar posibles enfermedades pulmonares, o en entornos particulares para monitorear la calidad del aire. El enfoque del equipo fue publicado en Microsistemas y Nanoingeniería.

Si bien Cheng desarrolló previamente un sensor resistente al agua, ese sensor solo podía detectar temperatura y movimiento. Cheng también ha desarrollado un sensor de gas a microescala altamente personalizable, así como un sensor de gas flexible, poroso y sensible. Sin embargo, la humedad, el sudor u otra exposición a la humedad inutilizaron los sensores.

“No podemos evitar los niveles de humedad en el ambiente, por eso queríamos enfatizar la propiedad resistente a la humedad”, dijo Cheng.

Los investigadores utilizaron el mismo grafeno inducido por láser (LIG), un método de fabricación rápido, rentable y respetuoso con el medio ambiente que utiliza escritura láser para ensamblar capas de grafeno bidimensionales, como lo hicieron con los sensores de gas anteriores. Esta vez, sin embargo, también agregaron un sustrato de polímero elastomérico suave y una membrana semipermeable resistente a la humedad a cada lado de la capa de detección de LIG.

“El grafeno inducido por láser es hidrófilo, por lo que intrínsecamente es un material absorbente de agua”, dijo Cheng. “El agua entrará naturalmente en el material y cambiará sus propiedades. Si el sensor absorbe moléculas de agua, eso cambiará la respuesta. Mediante el uso de una membrana semipermeable con el LIG, podemos bloquear el agua o la humedad del exterior, pero aun así permitir la penetración de la molécula de gas objetivo. Dado que el nuevo material es elástico y suave, se puede usar en la piel durante mucho tiempo sin causar irritación”.

Para probar los sensores, los investigadores los utilizaron para evaluar el aliento de 30 personas. Descubrieron que los valores de respuesta del sensor eran más de cuatro veces mayores para los pacientes que tenían enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) o asma que para los que no la tenían, lo que significa que las personas con EPOC o asma tenían más de cuatro veces la cantidad de dióxido de nitrógeno en su exhalación.

“Con este sensor, estamos mucho más cerca de la aplicación real de ayudar a un paciente”, dijo el coautor Li Yang, profesor asociado de la Facultad de Ciencias de la Salud e Ingeniería Biomédica de la Universidad Tecnológica de Hebei. “Este sensor podría usarse para el proceso de detección temprana, para que alguien sea consciente de la condición potencial que puede convertirse en una preocupación mayor más adelante, y también para que el paciente existente con EPOC o asma controle el entorno en busca de una posible exposición al dióxido de nitrógeno para que pueden tomar medidas de prevención temprana, como evitar ciertas áreas con niveles más altos de dióxido de nitrógeno”.

Cheng dijo que eventualmente este sensor podría usarse para monitorear no solo el bienestar individual sino también para comprender mejor la salud de una población.

“Esto podría usarse para un estudio a gran escala para proporcionar información que antes era inaccesible con el otro tipo de dispositivos sensores, algo que me entusiasma”, dijo.

Cheng tiene afiliaciones con el Instituto de Investigación de Materiales, los Institutos de Energía y Medio Ambiente, el Instituto de Ciencias Computacionales y de Datos, la Facultad de Ciencias Minerales y de la Tierra y varios departamentos de la Facultad de Ingeniería, todos en Penn State.

Los otros autores del artículo son Ye Xue de la Facultad de Ciencias de la Salud e Ingeniería Biomédica de la Universidad Tecnológica de Hebei en China; Guanghao Zheng, Chuizhou Meng, Huadong Ji y Jiayi Yan de la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad Tecnológica de Hebei en China; Yaoqian Cao del Hospital General Médico de Tianjin en China; Yuhang Li de la Universidad de Beihang en China; Xue Cheng de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Tecnológica de Hebei; y Guangyu Niu de la Escuela de Arquitectura y Diseño de Arte de la Universidad Tecnológica de Hebei.

La Fundación Nacional de Ciencias, los Institutos Nacionales de Salud, Penn State, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y el Proyecto Clave de Investigación y Desarrollo de la provincia de Hebei financiaron esta investigación.


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