El uso de dispositivos electrónicos portátiles que monitorean continuamente las bioseñales ha transformado las industrias de la salud y el bienestar. Estos dispositivos son cada vez más comunes y se espera que alcancen un valor de mercado de aproximadamente 572 060 millones de dólares en 2033. Con este rápido desarrollo, existe una demanda creciente de bioelectrodos de alta calidad capaces de registrar bioseñales con precisión durante largos períodos de tiempo. Sin embargo, muchos materiales utilizados actualmente para bioelectrodos, como metales, polímeros conductores e hidrogeles, tienen limitaciones. A menudo carecen de la elasticidad necesaria para estirar la piel sin romperse y tienen poca permeabilidad a la humedad, lo que provoca acumulación de sudor y malestar.
En un estudio publicado en la revista, para abordar estas limitaciones Materiales NPG AsiaEl 20 de junio de 2024, un equipo de investigación dirigido por el profesor asistente Tatsuhiro Hori del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) y el profesor asociado Toshinori Fuji desarrolló un material de bioelectrodo que impregna la humedad y se acerca a la piel. Este material innovador es un poliestireno estirable.b-butadieno-bestireno) (SBS) nanohoja. La nanolámina se adhiere firmemente a la piel, lo que permite una medición precisa de la bioseñal, mientras que las fibras de nanotubos de carbono mantienen la elasticidad y la permeabilidad a la humedad del material.
“Los electrodos autoportantes que sean expandibles, humectables y adaptables a la superficie de la piel son necesarios para permitir la deformación natural de la piel sin restringir el movimiento del cuerpo”, dice Horry.
Los investigadores aplicaron SWCNT como una dispersión acuosa en nanohojas de SBS, creando múltiples capas con espesores tan pequeños como 431 nm. Cada recubrimiento de SWCNT aumentó la densidad y el grosor de las fibras, cambiando las propiedades del bioelectrodo. La adición de más capas de SWCNT aumentó la rigidez de la nanolámina (de un módulo elástico inicial de 48,5 MPa a 60,8 MPa para una capa y 104,2 MPa para cinco capas), manteniendo el bioelectrodo una flexibilidad impresionante. Las prístinas nanohojas de SBS y una o tres capas de SWCNT (SWCNT 3rd-SBS) se estiran elásticamente hasta el 380% de su longitud original antes de la deformación permanente. Esta elasticidad supera la de los electrodos metálicos como el oro, que tienen módulos de Young en el rango de varios cientos de GPa y sólo pueden estirarse hasta menos del 30% de su longitud original antes de romperse.
Otro requisito importante para los bioelectrodos es una alta permeabilidad al vapor de agua para evitar la acumulación de sudor durante el ejercicio. La incorporación de SWCNT es beneficiosa porque su estructura de red fibrosa mejora la transpirabilidad en comparación con las películas continuas. En experimentos que midieron la tasa de transmisión de vapor de agua (WVTR), los investigadores encontraron que SWCNT 3rd-SBS exhibía una WVTR de 28,316 g.-2 (2 horas)-1que es el doble que la piel normal.
El material del bioelectrodo también es muy flexible para un uso prolongado. Para probar la durabilidad del material, los investigadores sumergieron los bioelectrodos en sudor artificial y los sometieron a flexiones repetidas mientras medían el cambio en la resistencia. En estas pruebas, encontraron que la resistencia aumentaba de manera insignificante, sólo 1,1 veces en el sudor y 1,3 veces en 300 ciclos de flexión. Además, las nanohojas SWCNT 3rd-SBS no mostraron desprendimiento después de diez frotamientos, lo que indica su idoneidad para un uso a largo plazo.
Para evaluar su rendimiento en el mundo real, los investigadores compararon la nanolámina SBS con tres capas de SWCNT con materiales de bioelectrodos disponibles comercialmente, como los electrodos de gel Ag/AgCl. Se colocaron bioelectrodos en el brazo y se midió la electromiografía de superficie (sEMG) durante los movimientos de agarre. En este experimento, el rendimiento de la nanohoja SWCNT-SBS fue comparable al del electrodo de gel comercial Ag/AgCl, logrando relaciones señal-ruido de 24,6 dB y 33,3 dB, respectivamente.
“Obtuvimos bioelectrodos respetuosos con la piel con alta permeabilidad al vapor de agua, que mostraron un rendimiento comparable en mediciones SEMG en comparación con los electrodos convencionales”, dijo Fujie sobre el potencial prometedor del material para dispositivos portátiles para el cuidado de la salud.
