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Los biosensores serán económicos y van a todas partes
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Los biosensores serán económicos, van a todas partes

Los biosensores serán de bajo costo, harán más, irán a todas partes.

El estudiante de ingeniería de UC Adam Hauke ​​sostiene la última generación de sensores portátiles en el laboratorio de novelas de UC.
Crédito: Joseph Fuqua II / UC Creative Services.

Cuando se trata de sensores biométricos, la piel humana no es un aliado.

Es un obstáculo.

La Universidad de Cincinnati está desarrollando métodos de vanguardia para superar esta barrera sin comprometer la piel y su capacidad para prevenir infecciones y deshidratación. Al realizar mejores pruebas no invasivas, los investigadores pueden abrir enormes oportunidades en la medicina y la industria del fitness.

"Piensas en la piel como una oportunidad porque puedes medir las cosas a través de ella óptica, química, eléctrica y mecánicamente", dijo Jason Heikenfeld, vicepresidente asistente en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de California. "Pero en realidad es todo lo contrario. El cuerpo ha evolucionado para preservar todos estos analitos químicos. Por lo tanto, la piel en realidad no es muy buena para dejarlos".

Heikenfeld, director del Novel Devices Lab de la UC, fue coautor de una revisión crítica de la investigación de sensores este mes con sus estudiantes y colegas para la revista de nanotecnología Lab on a Chip, que resume los logros científicos hasta la fecha y los desafíos futuros.

"Queríamos que todo el progreso actual y las direcciones y necesidades futuras se consolidaran en un artículo", dijo Andrew Jajack, coautor y estudiante de ingeniería de UC. Jajack diseñó la imagen y el gráfico que aparece en la portada de la revista y muestra las cuatro formas en que los sensores pueden leer datos biométricos en un atleta de pista.

El artículo, escrito en colaboración por líderes internacionales en biosensores, discutió la creciente popularidad de dispositivos portátiles como Fitbit y exploró las limitaciones de la tecnología actual.

La piel puede proporcionar datos engañosos a los biosensores ya que alberga bacterias y tiende a recolectar sal y otros minerales del sudor seco. Un sensor efectivo tiene que doblarse y estirarse como la piel humana, incluso cuando se adhiere a la superficie cuando el sujeto se está moviendo. Los sensores eléctricos que rastrean los latidos de su corazón tienen que dar cuenta del ruido tanto dentro del cuerpo como en el entorno, como en el caso de las líneas eléctricas o los dispositivos electrónicos cercanos.

Heikenfeld dijo que los biosensores en la mayoría de los dispositivos portátiles usan tecnología que ha estado disponible durante años.

"La última tendencia no ha sido impulsada por avances tecnológicos", dijo. "Cuando piensas en Fitbit, estas capacidades han durado mucho tiempo. Lo que lo impulsa es la proliferación de teléfonos inteligentes y la miniaturización de productos electrónicos y un creciente deseo de conciencia sobre la salud".

UC tiene una larga historia con biosensores. El fallecido Leland Clark Jr., a veces llamado "el padre de los biosensores", realizó investigaciones en la Facultad de Medicina de la UC y en la Fundación de Investigación del Hospital de Niños de Cincinnati. Entre sus muchas hazañas, desarrolló el moderno monitor de glucosa en sangre que usan los diabéticos hoy en día y los primeros sensores para medir los niveles de oxígeno en la sangre de un paciente.

"Los sensores son un gran problema aquí", dijo Heikenfeld. "Es algo en lo que hemos tenido fuerza histórica con pioneros en este campo".

La investigación de UC en sensores continúa siendo una tubería para la industria. Heikenfeld es cofundador y director científico de Eccrine Systems Inc., una empresa de Cincinnati que se especializa en biosensores de sudor.

Eccrine Systems anunció este mes que ganó un contrato de $ 750,000 con la Fuerza Aérea de EE. UU. Para estudiar biomarcadores a partir del sudor humano en tiempo real. Marca la segunda fase de un contrato de investigación inicial con los militares.

"Tratamos de conocer el negocio de otras personas mejor que ellos. No puede innovar a menos que esté dispuesto a profundizar mucho más que la competencia", dijo.

Jajack dijo que Eccrine Systems, Inc. está trabajando en nuevas formas de rastrear información biométrica continuamente a lo largo del tiempo.

"Gran parte de la forma en que diagnosticamos la enfermedad se basa en marcadores de un solo momento en el tiempo. Pero la promesa de los sensores portátiles es el control de la salud en tiempo real", dijo. "Se puede ver una imagen más compleja de lo que está sucediendo en el cuerpo. Eso solo conducirá a más técnicas de diagnóstico en todo un espectro de enfermedades".

Los estudiantes del Laboratorio de Dispositivos Novel de la UC, ubicado en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, están ideando formas innovadoras de obtener información del sudor humano. Estos dispositivos tienen el tamaño de una curita y también se usan en la piel como uno.

Los estudiantes Adam Hauke ​​y Phillip Simmers están trabajando en la próxima generación de sensores estimulantes del sudor de la UC. Estos dispositivos generan sudor en un pequeño parche de piel, incluso cuando el sujeto está descansando y es cómodo, y lo llevan a sensores que miden sustancias como la glucosa. Los biosensores recolectan y concentran la menor cantidad de sudor en muestras que los sensores puedan leer.

"Estimularemos la sudoración en esta área y luego esto comenzará a eliminar el sudor de la piel, sacándolo de los poros y moviéndolo hacia arriba a través de estos electrodos", dijo Hauke. "Ahí es donde hacemos la detección".

Entre sus otras capacidades, el dispositivo mide la respuesta de la piel galvánica, una indicación de cuánto está sudando alguien, dijo.

"Cuanto más sudas, más húmeda está tu piel y la resistencia eléctrica disminuye", dijo.

La Sociedad de Química y Micro-Nano Systems reconoció a Hauke ​​and Simmers con su Premio al Joven Investigador el año pasado por su estudio colaborativo en muestreo y detección de sudor continuo.

En una parte diferente del laboratorio de Novel Devices, la estudiante de ingeniería Laura Stegner trabajó con una fresadora para personalizar los sensores de caudal. Frente a ella, la compañera de clase Amy Drexelius trabajó en la parte del dispositivo que puede separar y concentrar los analitos que quieren analizar con sudor o sangre.

"Queremos concentrar la muestra. Así que puede pegar esto en la parte frontal de su sensor y hace un montón de trabajo de laboratorio de química anteriormente duro para usted", dijo.

Esta técnica podría aplicarse a otros químicos traza que los científicos quieren medir, dijo Jajack.

"Un gran problema hoy es la cantidad de productos farmacéuticos que se encuentran en nuestra agua potable", dijo Jajack. "Son difíciles de medir porque están tan diluidos. Incluso a concentraciones diluidas, podrían estar teniendo un efecto sobre nosotros".

Heikenfeld dijo que el éxito de su laboratorio se debe a sus talentosos estudiantes, que aplican sus diversos intereses y experiencias a su trabajo de laboratorio. Desarrollar nuevos sensores y aplicaciones requiere una resolución de problemas que se basa en muchas disciplinas académicas.

"¿Con qué frecuencia vas a encontrar a alguien que sea profundo en biología y química, que también haga hack-athons y sea un gran creador también?" Heikenfeld dijo de Jajack. "Pero eso es lo que va a tomar. Tenemos que innovar en disciplinas que no son nuestras áreas tradicionales de experiencia, por lo que no confiamos en que otros se muevan a una velocidad a la que nuestras propias mentes creativas quieren correr. Estamos haciendo eso ahora debido a la calidad de las personas que tenemos aquí ".

Llevar las aplicaciones de sensores desde la mesa de laboratorio al estante de la tienda sigue siendo un gran desafío, dijo el profesor de química de UC, William Connick. Se desempeña como director del Centro de Biosensores y Sensores Químicos de la UC.

"Grupos como el del Dr. Heikenfeld están haciendo avances notables en el desarrollo de tecnologías que brindan información sobre biomarcadores a niveles extremadamente bajos a partir de cantidades muy pequeñas de líquido como el sudor", dijo Connick.

"Pasar del laboratorio a un dispositivo práctico es un desafío cuando se trabaja con muestras del mundo real. Cada persona es un poco diferente. Cada circunstancia es un poco diferente", dijo. "Hacer algo que sea lo suficientemente robusto como para realizar con precisión bajo una amplia variedad de condiciones es un desafío".

Connick dijo que la demanda de biosensores solo va a crecer a medida que los laboratorios como la UC desarrollen mejores formas de recopilar información. Y las pruebas domiciliarias y la monitorización continua de medicamentos a lo largo del tiempo podrían conducir a mejores resultados de salud, dijo.

"El mercado está abierto de par en par. El potencial es gigantesco, solo por el ahorro de costos y por la capacidad de proporcionar exámenes de detección rápidos sin tomar muestras de sangre y enviar muestras al laboratorio", dijo Connick.

El artículo de la revista Heikenfeld señaló que los biosensores del futuro medirán múltiples aspectos de la fisiología de una persona. Y los nuevos sensores portátiles necesitarán una combinación de piezas desechables y reutilizables para hacer frente al desgaste que conlleva la vida cotidiana.

Ahora el Laboratorio de Dispositivos Novel de la UC está desarrollando una nueva técnica no invasiva para hacer que las glándulas sudoríparas sean más permeables para que los sensores puedan registrar datos aún más detallados. Heikenfeld y Jajack no están listos para hablar sobre cómo funciona, pero están muy entusiasmados con las posibilidades.

"Digamos que es seguro y súper increíble", dijo Heikenfeld. "Hay muchas cosas buenas por venir".


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