La sueur fait plus que de refroidir un corps surchauffé. Mesurer la composition chimique de la transpiration d’un individu – en particulier les niveaux de chlorure, une composante chimique du sel – peut servir de système d’alerte précoce pour aider à informer le diagnostic de la fibrose kystique, une maladie génétique qui endommage les poumons et le système digestif.
Un groupe de chercheurs de Penn State a récemment développé un dispositif portable capable de suivre avec précision les niveaux d’ions chlorure dans la transpiration, ce qui est essentiel pour évaluer l’état d’hydratation et les problèmes de santé comme la fibrose kystique et plus encore. Leur capteur permet le suivi en temps réel de la transpiration d’une personne en exercice grâce à une conception à base d’hydrogel qui permet à l’appareil de fonctionner avec une sensibilité, une précision et une efficacité améliorées, tout en étant réutilisables. Leurs recherches, disponibles en ligne, devraient publier dans le numéro de novembre de Biocapteurs et bioélectronique.
« La méthode traditionnelle de mesure des niveaux d’ions chlorure est d’aller à l’hôpital et de prendre les mesures, ce qui prend du temps et coûte cher », a déclaré Wanqing Zhang, doctorant en sciences de l’ingénierie et en mécanique et co-auteur du journal.
« Les capteurs portables que nous avons développés procéder à la transpiration et à suivre les niveaux d’ions chlorure en temps réel, directement sur le corps d’un sujet. Cela donne aux chercheurs beaucoup d’informations sur la santé d’un individu et, en particulier pour cette étude, peut identifier les niveaux d’ions chlorure élevés qui signifient la présence de fibrose kystique. »
La technologie des capteurs portables n’est pas nouveau, avec plusieurs autres appareils – dont ceux qui détectent des biomarqueurs spécifiques en sueur – originaires de la recherche à Penn State. Cependant, Zhang a expliqué comment les différentes conceptions existantes sont confrontées à des problèmes majeurs différents. Les capteurs de sueur à base de colorimétriques, qui modifient la couleur en fonction de la présence d’un produit chimique ou d’une réaction spécifique, ne peuvent pas produire de lectures réversibles.
Si le capteur détecte des niveaux d’ions chlorure élevés, il ne peut pas revenir à un état neutre et mesurer de faibles niveaux, ce qui signifie que les chercheurs ne peuvent prendre qu’une lecture précise avant d’avoir besoin d’appliquer un nouveau capteur. Une autre conception, connue sous le nom de capteur de sueur potentiométrique, fonctionne en mesurant la différence d’énergie potentielle entre deux électrodes. Bien que ces capteurs offrent une surveillance continue, elles ont généralement une sensibilité limitée et s’appuient sur des membranes sélectives ioniques coûteuses pour fonctionner.
Selon Zhang, le nouveau capteur de l’équipe de recherche utilise plusieurs types d’hydrogel – un matériau riche en eau et en gel composé de réseaux de molécules connectées appelées polymères – pour résoudre ces problèmes simultanément.
Le capteur de l’équipe contient une chambre de transpiration, un hydrogel sélectif (CH) avec des cations avec des cations mobiles et un hydrogel à haute salinité (HH) avec une teneur élevée en sel comme la transpiration. Lorsque la transpiration entre dans la chambre, la différence de concentration de sel entre la sueur et le HH fait passer les cations mobiles du CH du côté HH vers le côté de la chambre de sueur, générant une tension en circuit ouvert (OCV) entre les deux points. En suivant cette tension – qui indique le nombre d’ions de chlorure présents dans l’échantillon de sueur – ils peuvent suivre les niveaux d’ions chlorure.
« Dans d’autres conceptions de capteurs, il est extrêmement difficile ou impossible de suivre efficacement de petites fluctuations dans les niveaux de chlorure », a déclaré Huanyu « Larry » Cheng, le professeur agrégé de Science et mécanique correspondant de James L. Henderson, Jr. « En incorporant deux types d’hydrogel différents dans la conception de notre capteur, nous pouvons mesurer le changement de l’OCV à travers le capteur en temps réel, ce qui signifie que nous pouvons suivre la fluctuation des niveaux d’ions chlorure dans la transpiration de notre sujet. »
Cependant, en utilisant uniquement ces solutions d’hydrogel a posé certains problèmes, a expliqué Zhang. Le matériau hydrogel est un réseau de polymères hydrophiles ou des matériaux très attirés par l’eau, ce qui signifie que l’eau et les électrolytes pourraient facilement percer les gels. L’équipe a utilisé un matériau, connu sous le nom de film PVDF-HFP, pour isoler leurs hydrogels à partir d’excès d’eau ou d’électrolytes qui pourraient avoir un impact négatif sur la précision du capteur.
« Ce fut le principal défi que nous avons rencontré pendant le développement – lorsque nous n’utilisions que les deux types d’hydrogel, l’eau ferait gonfler le gel et dégrader les performances », a déclaré Zhang. « En utilisant le film PVDF-HFP comme une barrière entre l’hydrogel, nous avons pu protéger l’hydrogel de l’excès d’eau, afin qu’il puisse stabiliser et faciliter efficacement l’OCV. »
Pour tester le capteur, l’équipe a mené deux expériences différentes. Ils ont d’abord recueilli la sueur d’un sujet faisant l’exercice et l’ont analysé en utilisant le capteur séparément du corps du sujet. Ils ont ensuite surveillé la sueur lorsque le sujet portait le capteur lors de l’exercice, suivant les niveaux d’ions chlorure dans un logiciel qui représente les informations en temps réel. Les lectures des deux expériences ont ensuite été comparées pour confirmer la précision des lectures du capteur.
Le capteur recueille les données très rapidement, mesurant et visualisant les niveaux d’ions chlorure en moins de 10 secondes. Selon Zhang, le capteur est significativement plus sensible que les capteurs existants, produisant des lectures avec une précision de 174 millibolts par décennie, ce qui tripère la limite théorique de 59,2 millibolts par décennie observée dans les capteurs potentiométriques. En plus d’une excellente réversibilité, Zhang a expliqué comment la cohérence élevée et l’indépendance du capteur par rapport aux lectures passées garantissent des lectures faciles et précises sans avoir à établir des liens entre les lectures passées multiples, améliorant la réutilisabilité.
Bien que leur capteur ait été principalement conçu pour aider à identifier les niveaux d’ions chlorure indicatifs de la fibrose kystique, Cheng a déclaré qu’il pensait que la conception est une base solide pour les futurs appareils portables qui pourraient ressentir d’autres biomarqueurs.
« Ce capteur a ouvert la porte à des capteurs de chlorure évolutifs, évolutifs et portables », a déclaré Cheng. « Nous pensons que les mécanismes utilisés dans notre conception peuvent être adaptés pour surveiller de manière réversible d’autres ions ou composés chimiques qui apparaissent dans la sueur, comme le glucose, qui fournirait un aperçu supplémentaire de la santé d’un sujet. Les mécanismes pourraient également être étendus à différentes applications et plates-formes au-delà des appareils portables simples, que nous explorons actuellement. »
