Actas del Congreso Nacional de
Tecnología Aplicada a Ciencias
de la Salud
Actas del Congreso Nacional de Tecnología Aplicada a Ciencias de la Salud Vol. 5, 2023
La tecnología vestible (wearable) está a punto de transformar la atención médica con la promesa de recolección en tiempo real de indicadores fisiológicos de la salud (sudor, movimientos, ritmo cardíaco). En este trabajo, se diseñaron y probaron elastómeros iónicos, biodegradables y biocompatibles, a base de alcohol polivinílico y ácido fítico, como sensor de deformación resistivo para el monitoreo de movimientos del cuerpo. El elastómero fue ensamblado en un dispositivo de prueba-de-concepto junto con una tarjeta de desarrollo ESP32. Dicho dispositivo permitió el almacenamiento y transmisión inalámbrica de datos (voltaje del elastómero). El dispositivo de prueba de concepto fue puesto la rodilla para monitorear características de movimientos humanos (amplitud, frecuencia). La tecnología desarrollada será de ayuda para que proveedores de atención médica (fisioterapeutas) monitoreen indicadores de salud de pacientes en tiempo real, facilitando la recuperación física de personas lesionadas.
Palabras clave: Elastómero, Conductor iónico, Sensor vestible
Wearable electronics are poised to transform the field of healthcare owing to the promise of real-time collection of human physiological health indicators (i.e. sweat, motions, heart rate). We report the design and test of polyvinyl-alcohol: phytic-acid-based biodegradable and biocompatible ionic elastomers as a resistive strain sensor for monitoring human motions. The ionic elastomer was assembled in a wearable proof-of-concept device with an ESP32-based development board. This device allowed for physical storage and wireless communication of sensed data (elastomer voltage). The wearable proof-of-concept device was placed on the knee to monitor human motion characteristics (amplitude, frequency), thereby offering a tool for healthcare providers (i.e. physiotherapists) to facilitate the physical recovery of injured individuals.
Key words: Elastomer, Ionic conductor, Wearable sensor
La tecnología blanda son aquellos dispositivos capaces de adaptarse a la piel y movimientos del cuerpo humano. Dichos dispositivos han permitido el desarrollo de nuevos sistemas inteligentes en el campo del cuidado de la salud (textiles inteligentes, sensores portátiles, implantes médicos) y robótica (interfaces hombre-máquina)[1]. En particular, los sensores portátiles de deformación, los cuales detectan movimientos e informan al usuario o máquina en tiempo real, podrían tener aplicaciones prometedoras en el ámbito de la salud, tales como monitoreo, control y evaluación de máquinas y prótesis[2,3]. Los sensores portátiles convencionales de deformación generalmente consisten en compuestos percolados de relleno elastómero-conductor, los cuales transducen deformaciones mecánicas en variaciones de resistencia eléctrica[4-6]. No obstante, si se someten a grandes deformaciones, las redes percoladas pueden sufrir pérdidas irreversibles en sus propiedades eléctricas y funciones de detección, debido a su susceptibilidad a daños estructurales (su funcionamiento suele estar limitado a deformaciones entre 0 y 100%). Por otra parte, se ha visto un aumento considerable en la cantidad de residuos electrónicos (e-waste) presentes en el medio ambiente debido al uso continuo de nano-rellenos y polímeros no biodegradables[7]. Los e-waste se han convertido en el flujo de residuos de más rápido crecimiento a nivel mundial y una importante amenaza para el medio ambiente y la salud humana, ya que ha tenido un aumento de 30% en los últimos 10 años[8,9]. Debido a lo anterior, la siguiente generación de tecnología blanda debería ser transitoria, es decir, ser capaz de degradarse parcial o totalmente en materiales no dañinos al terminar su vida útil. Por tanto, la innovación en el diseño de materiales es fundamental para la fabricación de la próxima generación de tecnología blanda y sensores portátiles de deformación. Dichos sensores deberían contar con un mayor rango de deformación e impacto mínimo sobre el medio ambiente.
Los conductores iónicos han despertado un interés particular debido a que cuentan con propiedades que son difíciles de encontrar en conductores eléctricos tradicionales, tales como transparencia y estiramiento, así como auto reparación y adherencia[10,11]. El funcionamiento de los conductores iónicos se da debido al acoplamiento entre iones y electrones dentro de conductores iónicos, lo cual permite la transmisión de señales eléctricas mediante la migración de iones. Además, al momento de ser estirados o deformados, la migración de iones se dificulta debido al alargamiento de las vías de conducción, lo cual resulta en un aumento de la resistencia eléctrica de los conductores iónicos[12]. Debido a estas propiedades, los conductores iónicos se han convertido en materiales de gran interés para el desarrollo de sensores portátiles de deformación, los cuales pueden ser utilizados para el monitoreo de movimientos del cuerpo humano, interfaces hombre-máquina, y robótica blanda[13]. Hasta la fecha, la mayoría de los conductores iónicos consisten en hidrogeles poliméricos, en los cuales la transmisión de señales eléctricas se facilita debido a la migración de iones (sales disociadas) a través de agua[13]. En dichos sistemas, la deformación de la fase solvente dentro del andamio polimérico permite la operación ininterrumpida incluso a grandes deformaciones (funcionamiento típico a deformaciones superiores al 1000%)[14]. De este modo, los hidrogeles iónicamente conductores han permitido la detección de rangos de deformación mayores en comparación con compuestos percolados de relleno elastómero-conductor. No obstante, la aplicación de los hidrogeles poliméricos como sensores de deformación se sigue viendo limitada debido a la baja estabilidad de los materiales a largo plazo y bajo rango de temperatura de operación, principalmente debido a la evaporación del agua con el paso del tiempo y el congelamiento del agua a bajas temperaturas, respectivamente[14,15].
En este trabajo, se reporta el diseño e implementación de un dispositivo de prueba de concepto, electrónico y portátil, capaz de monitorear movimientos de la rodilla en tiempo real y transmitir información de manera inalámbrica. Dicho dispositivo consistió en un sensor de deformación, constituido por un elastómero iónicamente conductor, biodegradable, biocompatible y de respuesta dual, el cual fue ensamblado con una tarjeta de desarrollo basada en el microcontrolador ESP32. La exitosa detección de diversos movimientos del cuerpo humano (dedo, codo, rodilla) respalda aún más la promesa del elastómero de respuesta dual como sensor portátil de deformación. Esto demuestra el potencial de estos sistemas fabricados como sensores portátiles de deformación, naturales y transitorios, aptos para tecnología blanda. La tarjeta de desarrollo, con la cual se ensambló el sensor para dar pie al dispositivo de prueba de concepto, se basó en el microcontrolador ESP32. Por una parte, el dispositivo fue capaz de almacenar la información obtenida del sensor (caída de voltaje a través del elastómero al momento de deformarse). De igual manera, fue capaz de transmitir dicha información en tiempo real tanto a la nube, para visualizarla en una interfaz gráfica mediante Wifi, como a un smartphone cercano, a través de Bluetooth.
2.1 Materiales
Alcohol polivinílico con un peso molecular (89.000-98.000) hidrolizado al 99+ % y solución de ácido fítico (50% en peso en agua) se adquirieron en Sigma Aldrich y se utilizaron tal como se recibieron.
2.2. Métodos
2.2.1. Preparación del elastómero
Se colocó alcohol polivinílico al 5% en peso en agua desionizada y se calentó a 90 grados centígrados hasta obtener una solución clara. La cantidad deseada de ácido fítico se incorporó a la solución de alcohol polivinílico y la mezcla se agitó durante 10 minutos. A continuación, se colocaron 30 mL de la mezcla en un petridish y se dejaron secar a temperatura ambiente durante 5 días (Fig. 1).
2.2.2. Caracterización del elastómero
Los espectros infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR) de las películas elastoméricas se recogieron en el modo de reflexión total atenuada (ATR) en un espectrómetro FTIR Tensor 27 (Bruker, EE.UU.) como promedios de 28 barridos de 4000 a 400 cm-1 con una resolución de 4 cm-1. Las resistencias a la tracción de los elastómeros se midieron utilizando probetas con forma de hueso de perro. Se cortaron de los elastómeros probetas de tipo V del método ATSM D638. Todas las muestras se ensayaron con una máquina Instron (modelo 3367). Para los ensayos se utilizó una célula de carga de 2 kN y una velocidad de alargamiento de 10 mm/min-1 a 21 °C y una humedad relativa de aproximadamente el 35 %. La temperatura de transición vítrea (Tg) se midió mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC). Los ensayos DSC se realizaron con un TA DSC-Q2000 (TA Instruments, EE.UU.) en atmósfera inerte (nitrógeno).
2.2.3. Aplicación del elastómero como sensor de deformación
El elastómero PVA(1):PhA(4) se probó como sensor portátil para la detección de movimiento y se probó en la rodilla. Los extremos del elastómero se cubrieron con pinzas y se cubrieron con pintura plateada para garantizar un contacto eléctrico robusto. La resistencia de los sensores al caminar, correr y cojear se midió utilizando una tarjeta de desarrollo diseñada y basada en el microcontrolador ESP32. Dicha tarjeta se mandó a fabricar mediante JLCPCB, en China. El factor de calibre de los elastómeros se obtuvo utilizando un multímetro digital USB (SPRKC-TOL-12967, Sparkfun, China).
Figura 1. Ilustración esquemática de la preparación del elastómero de alcohol polivinílico (PVA): ácido fítico (PhA)
Se seleccionó el PhA para explorar el efecto de la carga de ácidos débiles en las propiedades de los elastómeros de PVA debido a que es una sustancia antioxidante natural que se encuentra en varios alimentos de origen vegetal (es decir, cereales integrales, legumbres, frutos secos). Como era de esperar, la incorporación de mayores contenidos de PhA aumentó aún más la capacidad de estiramiento de los elastómeros de PVA. Con una relación de peso PVA(1):PhA(4), el elastómero iónico mostró una alta extensibilidad (aprox. 4500%) y una menor resistencia a la tracción (aprox. 0,75 MPa) (Fig. 2a). El aumento de la cantidad de PhA en el PVA provocó un ensanchamiento significativo de la banda O-H en los resultados IR (Fig. 2b). Se espera que la formación de extensos enlaces H con otros grupos hidroxilo altere la banda O-H de los resultados IR.
Generalmente, un mayor número de enlaces H en un material causa un ensanchamiento significativo de la banda O-H. Mientras tanto, como previamente se mencionó, la disminución de la frecuencia de la banda O-H es función del grado y fuerza de los enlaces H en un material. En los ácidos carboxílicos, los cuales forman enlaces H intramoleculares extremadamente fuertes en comparación con los grupos hidroxilo, se observa un desplazamiento característico hacia frecuencias más bajas. Como era de esperar, se observó un desplazamiento hacia abajo de la banda O-H (de 3291 cm-1 a 3215 cm-1 para PVA y PVA(1):PhA(4), respectivamente) al incorporar mayores contenidos de PhA en PVA, lo que indicaba la presencia de un mayor número de enlaces H extremadamente fuertes ácido débil-ácido débil en los elastómeros iónicos. Los resultados DSC de los elastómeros iónicos de PVA y PVA:PhA con cantidades variables de PhA mostraron una única temperatura Tg para todos los materiales, que oscilaba entre 55 y -72°C (Fig. 2c). La incorporación de mayores contenidos de PhA disminuyó la Tg de los elastómeros iónicos. Lo que sugiere que el ácido débil actuó como plastificante al aumentar el volumen libre entre las cadenas de PVA, permitiendo a su vez el movimiento de las cadenas poliméricas individuales (deslizamiento, rotación) y contribuyendo al ablandamiento, y aumentando la elasticidad, de los elastómeros iónicos. Para cuantificar la sensibilidad de los cambios de resistencia al estiramiento del elastómero iónico, se calculó el factor de galga (GF) mediante la pendiente de la curva del cambio relativo de la resistencia al estirarse. Los valores del GF oscilaron entre 0,075 y 0,52 en función de la formulación del elastómero iónico (Fig. 2d). Curiosamente, la incorporación de mayores cantidades de PhA llevó a una reducción del GF, o sensibilidad reducida, que puede explicarse por el aumento del volumen libre en los materiales causado por la incorporación de mayores contenidos de PhA. Se espera que los cambios en la viscosidad de los electrolitos sólidos afecten a las propiedades de transporte de iones, incluyendo la conductividad iónica, el coeficiente de difusión y la tasa de transferencia de carga. En concreto, la reducción de la viscosidad de los materiales podría facilitar la transferencia de los iones en el material elastomérico, lo que llevaría a una reducción en los cambios en la conductividad iónica de los materiales cuando se estiran.
Figura 2. a. Curva de esfuerzo y deformación de elastómeros PVA:PhA (velocidad de estiramiento: 20mm/min-1) b. Resultados ATR de elastómeros iónicos PVA:PhA c. Termografías DSC d. gráfico comparativo de la conductividad iónica frente a la deformación máxima de elastómeros conductores de iones
La aplicación del elastómero como sensor de deformación fue verificada mediante el diseño e implementación del dispositivo de prueba de concepto electrónico y portátil. Dicho dispositivo involucró una tarjeta de desarrollo basada en el microcontrolador ESP32, el cual pertenece a una familia de microcontroladores de bajo costo y consumo energético, y capaces de comunicación inalámbrica mediante Wifi y Bluetooth. Dicha tarjeta fue diseñada mediante la plataforma EasyEDA y se mandó a fabricar y ensamblar mediante JLCPBC, en China. La tarjeta de desarrollo fue ensamblada junto con el elastómero (Fig. 3a), mismo que fue colocado en la rodilla. A partir de esto, se realizaron pruebas de monitoreo e identificación de diversas actividades relacionadas con el movimiento de la rodilla, tales como caminar, correr y cojear (Fig. 3b), mediante el muestreo del voltaje del elastómero. El dispositivo electrónico se configuró para medir 100 muestras de voltaje por segundo y enviarlas mediante Bluetooth a un celular cercano, el cual se encargó de almacenar dicha información. De igual manera, fue posible visualizar la información del sensor mediante la nube, en una interfaz gráfica programada en Node-RED.
Figura 3. a. Dispositivo de prueba de concepto junto con el elastómero b. Curvas de voltaje del elastómero en función del tiempo para distintas actividades
El dispositivo fue capaz de diferenciar con claridad la frecuencia y amplitud de las distintas actividades relacionadas con el movimiento de las piernas. Las gráficas obtenidas a partir de los datos de voltaje recolectados (Fig. 3b) permitieron identificar dos picos de amplitud diferente. El pico de menor amplitud indica el momento en el que la pierna en la que está colocado el sensor está firme en el piso y el sensor se somete a una deformación ligera, mientras que el pico de mayor amplitud se relaciona con el momento en que la misma pierna está despegada del piso y el sensor experimenta una deformación mayor. Es importante recordar que, debido a la composición química del elastómero, su resistencia eléctrica es proporcional a la deformación a la que se somete, por tanto, a mayor deformación, se espera una mayor caída de voltaje a través del sensor, lo cual es consistente con lo que se observa en las gráficas de voltaje contra tiempo.
En este trabajo diseñamos e implementamos un dispositivo vestible capaz de monitorear algunos de los movimientos físicos del cuerpo humano. Dicho dispositivo involucró un elastómero conductor iónico de alcohol polivinílico y ácido fítico y una tarjeta de desarrollo ESP32. La adición de ácido fítico en el PVA provocó la formación de enlaces dinámicos de hidrógeno que infirieron al elastómero una gran extensibilidad, y lo convirtió en un material conductor iónico. Además, la resistencia eléctrica del elastómero conductor iónico aumentaba proporcionalmente a la tensión aplicada, lo que permitía su aplicación como sensor portátil para la detección de movimiento. El sistema desarrollado fue capaz de diferenciar los movimientos humanos al caminar, correr y cojear, y de transmitir de manera inalámbrica los datos recogidos en tiempo real a un smartphone. Las aplicaciones de este dispositivo también podrían extenderse a otras partes del cuerpo como codos, muñecas y dedos, así como al monitoreo de patrones respiratorios. En general, la tecnología vestible propuesta puede ser de ayuda para profesionales de la salud (fisioterapeutas) para asistir durante la recuperación de los movimientos físicos de los pacientes.
El primer autor agradece al Programa de Maestría en Ciencias en la especialidad de Electrónica del INAOE, así como el Programa de Becas para Estudios de Posgrado, proporcionado por CONAHCYT. El primer coautor agradece al Instituto de Química de la UNAM, así como la estancia postdoctoral proporcionada por DGAPA.
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