Investigadores del ICFO diseñan nuevos dispositivos de salud flexibles y transparentes basados en grafeno

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Dispositivo flexible y transparente que puede proporcionar mediciones continuas y precisas de múltiples signos vitales, desarrollado por el ICFO

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Prototipo de parche UV flexible capaz de transferir sin hilos tanto energía como datos y de operar sin baterías para detectar el índice UV ambiental, desarrollado por el equipo de investigadores del ICFO

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Parche de grafeno que, integrado en la pantalla de un teléfono móvil, mide de manera instantánea y muestra signos vitales en tiempo real cuando un usuario coloca un dedo en la pantalla

Investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) han desarrollado una nueva clase de dispositivos portátiles basados en grafeno –flexibles, transpartentes y de baja potencia– que pueden monitorear múltiples signos vitales como la frecuencia respiratoria, la oxigenación del pulso sanguíneo y la exposición a la radiación UV. El estudio se ha publicado recientemente en la revista 'Science Advances'.

16/09/2019

Los nuevos dispositivos tecnológicos están priorizando el monitoreo no invasivo de los signos vitales no sólo para la monitorización del estado físico, sino también para la prevención de problemas de salud comunes tales como la insuficiencia cardíaca, la hipertensión o las complicaciones relacionadas con el estrés, entre otros. Los wearables –dispositivos portables con prestaciones tecnológicas avanzadas–basados en mecanismos de detección óptica están demostrando ser un método inestimable para informar sobre el funcionamiento interno de nuestro cuerpo y han experimentado un gran impulso de integración en el mercado de consumo. Pero las tecnologías portátiles actuales, basadas en componentes no flexibles, no ofrecen la precisión deseada y sólo pueden monitorizar un número limitado de signos vitales.

En un estudio reciente publicado en Science Advances, investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) –instituto universitario de investigación adscrito a la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC)– han demostrado la viabilidad de una nueva clase de dispositivos flexibles y transparentes que se ajustan a la piel y que pueden proporcionar mediciones continuas y precisas de múltiples signos vitales. Estos dispositivos pueden medir la frecuencia cardíaca, la frecuencia respiratoria y la oxigenación del pulso sanguíneo, así como la exposición a la radiación UV del sol. Mientras el dispositivo mide los diferentes parámetros, la lectura se visualiza y almacena con una interfaz de teléfono móvil conectada al sensor mediante Bluetooth. Además, el dispositivo puede funcionar sin batería ya que se carga de forma inalámbrica a través del teléfono.

Wearables que monitorizan multiples signos vitales
"Para nosotros era muy importante demostrar la amplia gama de aplicaciones potenciales de nuestra avanzada tecnología de detección de luz mediante la creación de varios prototipos, incluyendo una pulsera flexible y transparente, un parche de salud integrado en un teléfono móvil y un parche de monitorización UV para la exposición al sol. Estos han demostrado ser versátiles y eficientes debido a estas características únicas" explica el investigador Emre Ozan Polat, primer autor de esta publicación.

La pulsera ha sido fabricada para que se adapte a la superficie de la piel y proporcione una medición continua durante la actividad. La pulsera incorpora un sensor de luz que puede registrar el cambio en el volumen de los vasos sanguíneos debido al ciclo cardíaco, y luego extraer diferentes signos vitales como la frecuencia cardíaca, la frecuencia respiratoria y la oxigenación del pulso sanguíneo.

Los investigadores han desarrollado también un parche de grafeno en la pantalla de un teléfono móvil, que mide instantáneamente y muestra signos vitales en tiempo real cuando un usuario coloca un dedo en la pantalla. Una característica única del prototipo es que utiliza luz ambiental para funcionar, promoviendo un bajo consumo de energía en estos wearables integrados y, por lo tanto, permitiendo un monitoreo continuo de los marcadores de salud durante largos períodos de tiempo.

Nueva tecnología basada en el grafeno
La tecnología avanzada de detección de luz de ICFO usa dos tipos de nanomateriales: el grafeno, un material altamente flexible y transparente hecho de una capa de átomos de carbono de un átomo de espesor, junto con una capa de absorción de luz hecha de puntos cuánticos. Esta nueva tecnología aporta nuevas formas y libertad de diseño al campo de los wearables, lo que convierte a en una plataforma potente para los desarrolladores de productos. El investigador Antonios Oikonomou, business developer del ICFO, enfatiza este último aspecto: "la floreciente industria de los dispositivos portátiles está buscando ansiosamente aumentar la fidelidad y la funcionalidad de sus ofertas. Nuestra plataforma tecnológica basada en grafeno responde a este desafío con una propuesta única: un sistema escalable y de baja potencia capaz de medir múltiples parámetros mientras permite la traducción de nuevos factores de forma en productos."

El investigador Stijn Goossens, co-supervisor del estudio, añade: “hemos logrado un gran avance al mostrar un sistema de detección flexible y portátil hecho por componentes de detección de luz basados en grafeno. La clave era elegir lo mejor de los mundos de los materiales rígidos y flexibles. Utilizamos los beneficios únicos de los componentes flexibles para la detección de signos vitales y lo combinamos con el alto rendimiento y la miniaturización de los componentes electrónicos rígidos convencionales."

Parche para alertar sobre la sobreexposición solar
Finalmente, los investigadores han podido demostrar un rango amplio de detección de longitudes de onda con esta tecnología, ampliando la funcionalidad de los prototipos más allá del rango visible. Utilizando la misma tecnología central, han fabricado un prototipo de parche UV flexible capaz de transferir de forma inalámbrica tanto energía como datos, y de operar sin baterías para detectar el índice UV ambiental. El parche funciona con un bajo consumo de energía y cuenta con un sistema de detección de rayos UV de alta eficiencia que puede fijarse a la ropa o a la piel, y que puede utilizarse para controlar la exposición a la radiación solar, alertando al usuario en caso de sobreexposición.

"Estamos entusiasmados con el futuro de esta tecnología, que apunta hacia una integración escalable de los puntos cuánticos con grafeno en circuitos totalmente flexibles que mejoren la forma, la sensación, la durabilidad y el rendimiento", comenta el investigador Frank Koppens, líder del grupo de Nano-optoelectrónica Cuántica del ICFO. "Estos resultados demuestran que esta plataforma flexible y portátil es compatible con procesos de fabricación escalables, lo que sugiere que la producción en serie de dispositivos de bajo coste estará al alcance de la mano en un futuro próximo", añade.

Este trabajo ha sido financiado por la Fundación Cellex, por la ayuda del Consejo Europeo de Investigación (ERC) Proof of Concept 'GRAPHEALTH', así como la Graphene Flagship.