Une nouvelle puce alimentée par le sang offre une surveillance de la santé en temps réel

Les troubles métaboliques, comme le diabète et l’ostéoporose, sont en plein essor partout dans le monde, notamment dans les pays en développement.

Le diagnostic de ces troubles repose généralement sur un test sanguin, mais comme l’infrastructure de soins de santé existante dans les zones reculées n’est pas en mesure de prendre en charge ces tests, la plupart des individus ne sont ni diagnostiqués ni traités. Les méthodes conventionnelles impliquent également des processus invasifs et à forte intensité de main d’œuvre qui ont tendance à prendre du temps et rendent la surveillance en temps réel irréalisable, en particulier dans des contextes réels et dans les populations rurales.

Des chercheurs de l’Université de Pittsburgh et du centre médical de l’Université de Pittsburgh proposent un nouveau dispositif qui utilise le sang pour produire de l’électricité et mesurer sa conductivité, ouvrant ainsi la porte aux soins médicaux en tout lieu. Leur article, « Millifluidic Nanogenerator Lab-on-a-Chip Device for Blood Electrical Conductivity Monitoring at Low Frequency », a été publié dans Matériaux avancés.

“À mesure que les domaines de la nanotechnologie et de la microfluidique continuent de progresser, il existe une opportunité croissante de développer des laboratoires sur puce capables de contourner les contraintes des soins médicaux modernes”, a déclaré Amir Alavi, professeur adjoint de génie civil et environnemental à École d’ingénierie Swanson de Pitt.

“Ces technologies pourraient potentiellement transformer les soins de santé en offrant des diagnostics rapides et pratiques, améliorant ainsi les résultats pour les patients et l’efficacité des services médicaux.”

La conductivité électrique du sang est une mesure précieuse pour évaluer divers paramètres de santé et détecter des problèmes médicaux.

Cette conductivité est majoritairement régie par la concentration en électrolytes essentiels, notamment en ions sodium et chlorure. Ces électrolytes font partie intégrante d’une multitude de processus physiologiques, aidant les médecins à établir un diagnostic.

“Le sang est essentiellement un environnement à base d’eau qui contient diverses molécules qui conduisent ou entravent les courants électriques”, a expliqué le Dr Alan Wells, directeur médical des laboratoires cliniques de l’UPMC, vice-président exécutif de la section de médecine de laboratoire de l’université de Pittsburgh et de l’UPMC. et professeur Thomas Gill III de pathologie, Pitt School of Medicine, Département de pathologie.

“Le glucose, par exemple, est un conducteur électrique. Grâce à ces mesures, nous pouvons voir comment il affecte la conductivité. Cela nous permet ainsi de poser un diagnostic sur place.”

Malgré sa vitalité, la connaissance de la conductivité sanguine humaine est limitée en raison des défis de mesure tels que la polarisation des électrodes, l’accès limité aux échantillons de sang humain et les complexités associées au maintien de la température sanguine. La mesure de la conductivité à des fréquences inférieures à 100 Hz est particulièrement importante pour mieux comprendre les propriétés électriques du sang et les processus biologiques fondamentaux, mais elle est encore plus difficile.

Un laboratoire de poche

L’équipe de recherche propose un dispositif innovant et portable de laboratoire sur puce à nanogénérateur millifluidique capable de mesurer le sang à basse fréquence. Le dispositif utilise le sang comme substance conductrice dans son nanogénérateur triboélectrique intégré, ou TENG. Le système TENG proposé à base de sang peut convertir l’énergie mécanique en électricité via la triboélectrification.

Ce processus implique l’échange d’électrons entre matériaux en contact, entraînant un transfert de charge. Dans un système TENG, le transfert d’électrons et la séparation de charges génèrent une différence de tension qui entraîne le courant électrique lorsque les matériaux subissent un mouvement relatif comme une compression ou un glissement.

L’équipe analyse la tension générée par l’appareil dans des conditions de charge prédéfinies pour déterminer la conductivité électrique du sang. Le mécanisme d’auto-alimentation permet la miniaturisation du nanogénérateur à base de sang proposé. L’équipe a également utilisé des modèles d’IA pour estimer directement la conductivité électrique du sang à l’aide des modèles de tension générés par l’appareil.

Pour tester son exactitude, l’équipe a comparé ses résultats avec un test traditionnel qui s’est avéré efficace. Cela ouvre la porte à la réalisation des tests là où les gens vivent. De plus, les nanogénérateurs alimentés par le sang sont capables de fonctionner dans le corps partout où du sang est présent, permettant ainsi des diagnostics auto-alimentés utilisant la chimie sanguine locale.