Wearable platform for real-time monitoring of biomarkers in sweat

Abstract

El camp de la medicina esportiva exigeix tecnologies avançades per a monitorar paràmetres fisiològics i prevenir lesions, deshidratació, enrampades i hiponatrèmia entre els atletes. Recentment s'ha prestat especial atenció a la detecció de biomarcadors mitjançant mètodes analítics no invasius, sent la suor un fluid biològic molt adequat per la seva fàcil accessibilitat i el seu ric contingut en biomarcadors. L'ús de plataformes analítiques portàtils que integren sensors electroquímics i components fluídics basats en capil·laritat permet el monitoratge continu i en temps real de la composició de la suor, amb diversos electròlits com Na+, Cl- i K+, metabòlits com a glucosa i lactat, i hormones com el cortisol com a objectiu principal. S'ha demostrat que el contingut de la suor està relacionat amb la deshidratació, l'estrès, la intensitat de l'exercici i la fatiga. No obstant això, en el desenvolupament de dispositius portàtils persisteixen problemes com la les adsorcions no específiques i problemes de brutícia a causa de la mostra, la sensibilitat, la flexibilitat, l'estabilitat i la recollida de mostra. Factors com l'evaporació de la suor, la contaminació de la pell i la variabilitat en la composició compliquen encara més la precisió de les anàlisis. En aquest context, aquesta tesi se centra en el desenvolupament d'una plataforma portàtil flexible per al monitoratge continu de diversos biomarcadores de la suor. Inclou el desenvolupament i la caracterització exhaustiva de sensors potenciométricos basats en transistors d'efecte de camp sensibles a ions (ISFET) per a la mesura de pH, Na+, K+ i Cl-. A més, es produeix un elèctrode de referència d'estat sòlid, clau per a la integració d'aquests sensors en la plataforma portàtil, en un xip que conté un elèctrode de platí de pel·lícula prima. S'avalua la integració del sensor i l'elèctrode de referència juntament amb un sensor de temperatura i components fluídics en una petita plataforma flexible. S'exploren diferents arquitectures fluídiques per a permetre el monitoratge de mostres en temps real i a baixa velocitat de flux, avaluant diferents materials i dissenys geomètrics en condicions que s'assemblen a l'ús pràctic. Finalment, el prototip de sensor portàtil s'avalua en estudis clínics realitzats amb subjectes que realitzen sessions de ciclisme d'alta intensitat en un entorn controlat de l'Hospital Universitari de Lausana. El rendiment els sensors basats en ISFET en el cos es compara amb el d'elèctrodes selectius d'ions (ISE) comercials utilitzant mostres discretes recollides periòdicament durant les sessions de ciclisme. S'eluciden algunes tendències que poden correlacionar-se amb les condicions de l'atleta i que evidencien l'aplicació pràctica de la plataforma presentada per al monitoratge de biomarcadors en el cos.

El campo de la medicina deportiva exige tecnologías avanzadas para monitorizar parámetros fisiológicos y prevenir lesiones, deshidratación, calambres e hiponatremia entre los atletas. Recientemente se ha prestado especial atención a la detección de biomarcadores mediante métodos analíticos no invasivos, siendo el sudor un fluido biológico muy adecuado por su fácil accesibilidad y su rico contenido en biomarcadores. El uso de plataformas analíticas portátiles que integran sensores electroquímicos y componentes fluídicos basados en capilaridad permite la monitorización continua y en tiempo real de la composición del sudor, con varios electrolitos como Na+, Cl- y K+, metabolitos como glucosa y lactato, y hormonas como el cortisol como objetivo principal. Se ha demostrado que el contenido del sudor está relacionado con la deshidratación, el estrés, la intensidad del ejercicio y la fatiga. Sin embargo, en el desarrollo de dispositivos portátiles persisten problemas como las adsorciones no específicas y problemas de ensuciamiento debido a la muestra, la sensibilidad, la flexibilidad, la estabilidad y la recogida de muestra. Factores como la evaporación del sudor, la contaminación de la piel y la variabilidad en la composición complican aún más la precisión de los análisis. En este contexto, esta tesis se centra en el desarrollo de una plataforma portátil flexible para la monitorización continua de varios biomarcadores del sudor. Incluye el desarrollo y la caracterización exhaustiva de sensores potenciométricos basados en transistores de efecto de campo sensibles a iones (ISFET) para la medida de pH, Na+, K+ y Cl-. Además, se produce un electrodo de referencia de estado sólido, clave para la integración de estos sensores en la plataforma portátil, en un chip que contiene un electrodo de platino de película delgada. Se evalúa la integración del sensor y el electrodo de referencia junto con un sensor de temperatura y componentes fluídicos en una pequeña plataforma flexible. Se exploran diferentes arquitecturas fluídicas para permitir la monitorización de muestras en tiempo real y a baja velocidad de flujo, evaluando diferentes materiales y diseños geométricos en condiciones que se asemejan al uso práctico. Por último, el prototipo de sensor portátil se evalúa en estudios clínicos realizados con sujetos que realizan sesiones de ciclismo de alta intensidad en un entorno controlado del Hospital Universitario de Lausana. El rendimiento los sensores basados en ISFET en el cuerpo se compara con el de electrodos selectivos de iones (ISE) comerciales utilizando muestras discretas recogidas periódicamente durante las sesiones de ciclismo. Se elucidan algunas tendencias que pueden correlacionarse con las condiciones del atleta y que evidencian la aplicación práctica de la plataforma presentada para la monitorización de biomarcadores en el cuerpo.

The field of sports medicine demands advanced technologies to monitor physiological parameters, prevent injuries, dehydration, cramping, and hyponatremia among athletes. Recent focus has been put on the detection of biomarker using non-invasive analytical approaches, with sweat being a highly suitable biological fluid due to its easy accessibility and rich biomarker content. The use of wearable analytical platforms integrating electrochemical sensors and capillary-driven fluidic components enables continuous, real-time monitoring of sweat composition, with several electrolytes such as Na+, Cl-, and K+, metabolites such as glucose, lactate, and hormones such as cortisol being primarily targeted. Their sweat content has been show to related to dehydration, stress, exercise intensity, and fatigue events. However, challenges like biofouling, sensitivity, flexibility, stability, and sample collection persist in wearable device development. Factors such as sweat evaporation, skin contamination, and variability in composition further complicate accurate analysis. In this context, this thesis focuses on the development of a flexible wearable platform for continuous monitoring of various sweat biomarkers. It involves the development and comprehensive characterization of Ion-Sensitive Field-Effect Transistors (ISFETs) potentiometric sensors for pH, Na+, K+ and Cl- concentrations. Additionally, a solid-state reference electrode, key for the integration of such sensors onto the wearable platform, is successfully fabricated onto a thin-film platinum electrode chip. The sensor and reference electrode integration along with a temperature sensor and capillary-driven fluidic components into a small flexible platform, is assessed. Different fluidic architectures are explored to enable real-time, low-flow-rate sample monitoring, evaluating different materials and geometric designs under conditions resembling practical use. Finally, the wearable sensing prototype is evaluated on-body in clinical studies carried out with subjects performing high-intensity cycling sessions in a controlled environment in Lausanne University Hospital. The ISFET sensor on-body performance is compared to that of commercial Ion Selective Electrodes (ISEs) using with discrete samples periodically collected during the cycling sessions. Some trends are elucidated that can be correlated with the athlete's conditions and that evidence the practical application of the presented platform for on-body monitoring of biomarkers.