DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-60854-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40593594
تاريخ النشر: 2025-07-01
المؤلف: Yongsuk Choi وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد الاستشعار المتقدمة وجمع الطاقة
نظرة عامة
لقد عززت التطورات الحديثة في تقنيات المستشعرات القابلة للارتداء بشكل كبير القدرة على المراقبة في الوقت الحقيقي للإشارات الفسيولوجية والبيوكيميائية، مما يمهد الطريق لتطبيقات الرعاية الصحية الشخصية. ومع ذلك، غالبًا ما تستخدم الأجهزة القابلة للارتداء التقليدية مكونات إلكترونية صلبة لنقل الإشارات ومعالجتها، مما يمكن أن يؤدي إلى تدهور جودة الإشارة بسبب التوافق الميكانيكي مع الطبيعة الناعمة والمرنة لجلد الإنسان. علاوة على ذلك، تكافح التقنيات الحاسوبية الحالية مع معالجة مجموعات البيانات الكبيرة الناتجة بكفاءة، حيث تواجه تحديات تتعلق بالتحجيم، واستهلاك الطاقة العالي، والاعتماد على موارد الإنترنت الخارجية، مما يثير مخاوف تتعلق بالأمان.
للتغلب على هذه القيود، طور المؤلفون نظامًا عصبيًا قابلًا للارتداء مصغرًا ومستقلًا بدون شريحة مصمم لمراقبة ومعالجة وتحليل بيانات المؤشرات الفيزيائية الكيميائية المتعددة، بما في ذلك المستقلبات، والأنشطة القلبية، ودرجة حرارة الجسم الأساسية في وقت واحد. باستخدام تقنية الطباعة القابلة للتوسع، قاموا بتصنيع مشابك صناعية تعمل كأجهزة استشعار ووحدات معالجة تماثلية، ودمجها مع عقد تشابكية مطبوعة في نظام قابل للارتداء مضغوط مزود بخوارزمية تشخيص طبية لمعالجة البيانات المتعددة القراءات واتخاذ القرار. تم إثبات جدوى النظام في تطبيقات مثل تشخيص تعفن الدم وتصنيف بيانات المرضى، مما يبرز إمكاناته للتشخيص الطبي في الوقت الحقيقي والأثر التحويلي لتقنية القابل للارتداء على المراقبة المستمرة وغير الغازية للمعلمات الفسيولوجية الحرجة.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والأساليب المستخدمة في تصنيع الأقطاب الكهربائية في دوائر المستشعرات والمعالجات الخاصة بهم. تم إنشاء الأقطاب الكهربائية باستخدام أحبار الذهب والفضة التجارية الموردة من شركة C-INK. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام مركبات كيميائية مختلفة، بما في ذلك بولي(3-هيكسيلثيوفين-2،5-دييل) (P3HT)، محلول نافيون، كيتوزان، وبولي(إيثيلين جلايكول) دايكريلات (PEGDA)، من بين آخرين، جميعها تم الحصول عليها من شركة سيغما ألدريتش. كما شملت الدراسة أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار (SWCNTs) وأنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران (MWCNTs) من شركة نانوإنتغريس، بالإضافة إلى عدة مذيبات وسوائل أيونية من شركة فيشر ساينتيفيك.
بالنسبة لعملية التصنيع، تم استخدام ركائز مرنة مثل أفلام بوليميد (PI) وأفلام بولي إيثيلين تيريفثاليت (PET)، تم الحصول عليها من كابتون®. تم طباعة الأجهزة الإلكترونية باستخدام طابعة مواد ديماتكس DMP-2850، المزودة بخراطيش SAMBA، مما سهل التطبيق الدقيق للأحبار والمواد. يبرز هذا النهج المنهجي تكامل المواد المتقدمة وتقنية الطباعة في تطوير المستشعرات والدارات.
نتائج
تظهر نتائج الدراسة فعالية نظام CSPINS في تسهيل الحسابات التماثلية الفعالة لمراقبة الصحة من خلال استراتيجيات مبتكرة لنقل الإشارات ومعالجتها. يستخدم النظام مستشعرات كيميائية حيوية تشابكية تحول الإشارات الجزيئية إلى تيارات تماثلية، مما يبسط الكشف الكيميائي الحيوي دون تعقيدات الدوائر الرقمية. يسمح تصميم المستشعر المزدوج بالقياس المتزامن لدرجات حرارة الجلد وسطح الجهاز، مما يمكّن من حساب دقيق لدرجة حرارة الجسم الأساسية (CBT) باستخدام نموذج تدفق حراري واحد. بالإضافة إلى ذلك، يقوم نظام ترميز معدل ضربات القلب على الجسم بتحويل النبضات الميكانيكية من الجلد إلى تيارات تشابكية تماثلية، مما يعزز مراقبة القلب والأوعية الدموية في الوقت الحقيقي.
يجمع CSPINS بين مكونات مختلفة، بما في ذلك المشابك الصناعية، والميمريستور، والمقاومات، والمكثفات، جميعها مصنوعة عبر الطباعة القابلة للتوسع باستخدام طباعة نفث الحبر على ركائز بوليمرية مرنة. يضمن هذا التصميم ليس فقط المرونة الميكانيكية والتوافق مع الجلد، ولكن أيضًا يدعم الوظائف المستقلة للنظام. يبرز تطبيق CSPINS في تشخيص وتصنيف تعفن الدم، استنادًا إلى بيانات سريرية من أفراد أصحاء ومرضى في مراحل مختلفة من تعفن الدم، إمكاناته للتشخيص الطبي في الوقت الحقيقي والتدخلات الطبية الشخصية.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على تطوير ووظيفة مشبك صناعي مصمم لجمع ومعالجة البيانات البيومولكولية. في قلب هذا النظام توجد مستشعرات كيميائية حيوية تشابكية تحول مستويات المؤشرات البيومولكولية إلى إشارات تماثلية قابلة للحساب من خلال مشبك من نوع الترانزستور. من خلال تفعيل قطب البوابة بطبقة نقل إشارة إنزيمية، يتم تحقيق التحويل في الوقت الحقيقي للتفاعلات البيوكاتاليتيكية إلى تيارات تشابكية. أظهرت المستشعرات أداءً قويًا، حيث أظهرت علاقات خطية بين التيار الأساسي وتركيزات المحلل المستهدف، وأظهرت انتقائية عالية حتى في وجود تداخلات كيميائية حيوية. تشير النتائج إلى أن سمك طبقة الأزرق البروسي (PB) يؤثر بشكل كبير على الحساسية، حيث أن الطبقات الرقيقة تعطي أداءً أفضل.
بالإضافة إلى ذلك، تناقش الورقة دمج هذه المستشعرات في الأجهزة القابلة للارتداء لمراقبة المعلمات الفسيولوجية الحرجة مثل درجة حرارة الجسم الأساسية (CBT) ومعدل ضربات القلب (HR). يستخدم المعالج التماثلي القابل للارتداء نموذج تدفق حراري واحد لحساب CBT بدقة، بينما يستخدم نظام ترميز معدل ضربات القلب مواد حساسة للضغط لتحويل الإشارات القلبية الوعائية إلى إشارات تيار تشابكي. تظهر قدرة النظام على معالجة هذه الإشارات في الوقت الحقيقي إمكاناته للمراقبة الصحية المستمرة. علاوة على ذلك، يعرض تطوير نظام عصبي قابل للارتداء لتشخيص تعفن الدم تكامل مستشعرات المؤشرات الحيوية المختلفة والدارات التشابكية، مما يمكّن من معالجة البيانات بكفاءة واتخاذ القرارات السريرية. بشكل عام، تقدم الأبحاث منصة متعددة الاستخدامات لتقدم تقنيات الرعاية الصحية القابلة للارتداء، مع التأكيد على انخفاض استهلاك الطاقة للنظام وقابليته للتكيف مع التطبيقات الواقعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-60854-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40593594
Publication Date: 2025-07-01
Author(s): Yongsuk Choi et al.
Primary Topic: Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials
Overview
Recent advancements in wearable sensor technologies have significantly enhanced the capability for real-time monitoring of physiological and biochemical signals, paving the way for personalized healthcare applications. However, traditional wearable devices often utilize rigid electronic components for signal transduction and processing, which can lead to compromised signal quality due to mechanical mismatches with the soft, flexible nature of human skin. Furthermore, existing computing technologies struggle with efficiently processing the large datasets generated, facing challenges related to scalability, high power consumption, and reliance on external internet resources, which raises security concerns.
To overcome these limitations, the authors developed a miniaturized, standalone, chip-less wearable neuromorphic system designed to simultaneously monitor, process, and analyze multimodal physicochemical biomarker data, including metabolites, cardiac activities, and core body temperature. Utilizing scalable printing technology, they fabricated artificial synapses that serve as both sensors and analog processing units, integrating these with printed synaptic nodes into a compact wearable system equipped with a medical diagnostic algorithm for multimodal data processing and decision-making. The system’s feasibility was demonstrated in applications such as sepsis diagnosis and patient data classification, underscoring its potential for real-time medical diagnostics and the transformative impact of wearable technology on continuous, non-invasive monitoring of critical physiological parameters.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods used for fabricating electrodes in their sensor and processor circuits. The electrodes were created using commercial gold and silver inks sourced from C-INK Co. Additionally, various chemical compounds were utilized, including poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT), Nafion solution, chitosan, and poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA), among others, all procured from Sigma Aldrich Inc. The study also incorporated semiconductive single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) and metallic multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) from NanoIntegris Co., along with several solvents and ionic liquids from Fisher Scientific Co.
For the fabrication process, flexible substrates such as polyimide (PI) and polyethylene terephthalate (PET) films were employed, obtained from Kapton®. The electronic devices were printed using a Dimatix Materials Printer DMP-2850, equipped with SAMBA cartridges, which facilitated the precise application of the inks and materials. This methodological approach underscores the integration of advanced materials and printing technology in the development of the sensors and circuits.
Results
The results of the study demonstrate the efficacy of the CSPINS system in facilitating efficient analog computation for health monitoring through innovative signal transduction and processing strategies. The system utilizes synaptic biochemical sensors that convert molecular signals into analog currents, thereby streamlining biochemical detection without the complexities of digital circuits. A dual-sensor design allows for simultaneous measurement of skin and device surface temperatures, enabling precise calculation of core body temperature (CBT) using a single-heat flux model. Additionally, an on-body heart rate encoding system translates mechanical pulses from the skin into analog synaptic currents, enhancing real-time cardiovascular monitoring.
CSPINS integrates various components, including artificial synapses, memristors, resistors, and capacitors, all fabricated via scalable inkjet printing on flexible polymeric substrates. This design not only ensures mechanical flexibility and skin adherence but also supports the system’s autonomous functionality. The application of CSPINS in diagnosing and classifying sepsis, based on clinical data from healthy individuals and patients at different sepsis stages, underscores its potential for real-time healthcare diagnostics and personalized medical interventions.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the development and functionality of an artificial synapse designed for biomolecular data collection and processing. Central to this system are synaptic biochemical sensors that convert biomolecular marker levels into computable analog signals through a transistor-type synapse. By functionalizing the gate electrode with an enzymatic signal transduction layer, real-time conversion of biocatalytic reactions into synaptic currents is achieved. The sensors demonstrated robust performance, exhibiting linear relationships between baseline current and target analyte concentrations, and showing high selectivity even in the presence of biochemical interferences. The findings indicate that the thickness of the Prussian blue (PB) layer significantly influences sensitivity, with thinner layers yielding better performance.
Additionally, the paper discusses the integration of these sensors into wearable devices for monitoring critical physiological parameters such as core body temperature (CBT) and heart rate (HR). The wearable analog processor employs a single-heat flux model to accurately calculate CBT, while the heart rate encoding system utilizes pressure-sensitive materials to convert cardiovascular signals into synaptic current signals. The system’s ability to process these signals in real-time demonstrates its potential for continuous health monitoring. Furthermore, the development of a wearable neuromorphic system for sepsis diagnosis showcases the integration of various biomarker sensors and synaptic circuits, enabling efficient data processing and clinical decision-making. Overall, the research presents a versatile platform for advancing wearable healthcare technologies, emphasizing the system’s low power consumption and adaptability for real-world applications.