Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria Mecànica
DOCTORAT EN ENGINYERIA MECÀNICA, FLUIDS I AERONÀUTICA (Pla 2013)
(English) This thesis began with the goal of revolutionizing continuous monitoring through the use of sweat. Over the course of this research, the field of sweat monitoring has evolved significantly, being consolidated as the most convenient non-invasive alternative to blood analysis. This thesis compiled the knowledge acquired during these years across different areas related to the design of a microfluidic sweat platform. Initially, a perspiration model was developed as an in vitro experimental setup to enable realistic and cost-effective testing of microfluidic sweat platforms. Sweat gland dimensions and structure were replicated using on-plane soft lithography, solving the fabrication challenges associated. A functional prototype was successfully operated with appropriate skin surface characteristics, demonstrating its use with adhered microfluidic devices. A microfluidic platform integrating custom electrochemical sensors was developed for the measurement of sweat volume, sweat conductivity and sweat lactate. Continuous monitoring has been proven for extended periods of time (exceeding 1 hour) with robustness and reproducibility. This system was incorporated into a complete wearable device featuring remote communication and embedded computation, becoming a novel tool for sports monitoring. The device was validated in on-body trials to assess the accuracy of the output parameters to the final user, for both sweat-based variables (sweat loss, sodium and sodium loss) and blood bioequivalence predictions (lactate). Additionally, a novel microfluidic design for the chrono-sampling of sweat was explored in vitro. It combines a passive valve and pump to renovate the volume in a sensing chamber in a cyclic manner. The mismatch between the absorption rate of the passive pump and the sweat generation at the inlet was found to disconnect the fluid, restoring the passive valve function once surpassed. The system's characteristics can be adjusted to different requirements by modifying the valve widths or passive pump properties. However, the fabrication of this design requires high resolution, which can limit throughput and complicating the current large human testing involved in a microfluidic sweat platform. Therefore, new materials and fabrication techniques at the laboratory were explored to reduce the design to test time and enhance production capacity. In summary, the initial vision of a novel microfluidic sweat wearable platform capable of providing non-invasive, real-time measurements of a variety of biomarkers has been accomplished. Moreover, several promising research lines have emerged, including advancements in perspiration models, microfluidic design, fabrication scalability and algorithm development. Finally, this research has led to the development of a commercially available product, demonstrating that continuous monitoring through sweat is now a market-ready technology.
(Català) Aquesta tesi va començar amb l'objectiu de revolucionar el monitoratge continu mitjançant l'ús de la suor. Al llarg d'aquesta investigació, el camp de la mesura en suor ha evolucionat significativament, consolidant-se com l'alternativa no invasiva més convenient a l'ànalisi de sang. Aquesta tesi recull els coneixements adquirits durant aquests anys en diferents àmbits relacionats amb el disseny d'una plataforma microfluídica. Inicialment, es va desenvolupar un model de sudoració per un muntatge experimental in vitro que permeti provar plataformes de suor microfluídiques de forma ràpida i efectiva. S'han replicat les dimensions i estructures de les glàndules sudorípares mitjançant soft lithography en el pla, superant els reptes associats a la fabricació. Es va aconseguir operar un prototip funcional amb característiques adequades de la superfície de la pell, demostrant la seva viabilitat per a l'ús amb dispositius microfluídics adherits. Es va desenvolupar una plataforma microfluídica amb sensors electroquímics personalitzats per a la mesura del volum de suor, la conductivitat de la suor i el lactat en suor. Es va demostrar el monitoratge continu durant períodes prolongats (superiors a 1 hora) amb robustesa i reproductibilitat. Aquest sistema es va integrar en un dispositiu wearable complet amb comunicació remota i càlcul integrat, convertint-se en una eina innovadora per al monitoratge esportiu. El dispositiu es va validar en assajos in vivo per avaluar l'exactitud dels seus paràmetres de sortida, incloent-hi variables relacionades amb la suor (pèrdua de suor, concentració de sodi i pèrdua de sodi) i prediccions d'equivalència amb biomarcadors sanguinis (lactat). A més, es va explorar un nou disseny microfluídic per al mostreig cronològic de la suor in vitro. Aquest sistema combina una vàlvula i una bomba passives, que permeten la renovació cíclica del volum dins d'una cambra de detecció. Es va observar que el desajust entre la velocitat d'absorció de la bomba passiva i la generació de suor a l'entrada provocava una desconnexió temporal del líquid, restaurant la funció de la vàlvula passiva un cop superat el llindar. Les característiques del sistema es poden ajustar segons diferents requisits modificant l'amplada de la vàlvula i les propietats de la bomba passiva. No obstant això, la fabricació d'aquest disseny requereix una alta resolució, cosa que pot limitar el rendiment i dificultar les proves a gran escala en humans. Per solucionar-ho, es van explorar nous materials i tècniques de fabricació per reduir el temps de disseny a experiment i millorar la capacitat de producció. En resum, la idea inicial d'una nova plataforma microfluídica wearable capaç de proporcionar mesuraments no invasius i en temps real de diversos biomarcadors s'ha aconseguit amb èxit. A més, han sorgit diverses línies de recerca prometedores, incloent-hi millores en la modelització de la pell, el disseny microfluídic, l'escalabilitat de fabricació i el desenvolupament d'algoritmes. Finalment, aquesta investigació ha donat lloc a un producte comercialment disponible, demostrant que el monitoratge continu mitjançant la suor ja és una tecnologia llesta per al mercat.
(Español) Esta tesis comenzó con el objetivo de revolucionar el monitoreo continuo mediante el uso del sudor. A lo largo de esta investigación, el campo de la medición en sudor ha evolucionado significativamente, consolidándose como la alternativa no invasiva más conveniente al análisis de sangre. Esta tesis recopila el conocimiento adquirido durante estos años en distintas áreas relacionadas con el diseño de una plataforma microfluídica. Inicialmente, se desarrolló un modelo de sudoración para un montaje experimental in vitro que permita testear plataformas de sudor microfluídicas de forma rápida y efectiva. Se replicaron las dimensiones y estructuras de las glándulas sudoríparas mediante soft lithography en el plano, superando los desafíos asociados a la fabricación. Se logró operar un prototipo funcional con características adecuadas de la superficie de la piel, demostrando su viabilidad para su uso con dispositivos microfluídicos adheridos. A continuació, se trabajó en una plataforma microfluídica con sensores electroquímicos personalizados para la medición del volumen de sudor, la conductividad del sudor y el lactato en sudor. Se demostró el monitoreo continuo durante períodos prolongados (superiores a 1 hora) con robustez y reproducibilidad. Este sistema se integró en un dispositivo wearable completo con comunicación remota y computación integrada, convirtiéndose en una herramienta innovadora para el monitoreo deportivo. El dispositivo se validó en ensayos in vivo para evaluar la precisión de sus parámetros de salida, incluyendo variables relacionadas con el sudor (pérdida de sudor, concentración de sodio y pérdida de sodio) y predicciones de equivalencia con biomarcadores sanguíneos (lactato). Además, se exploró un nuevo diseño microfluídico para el muestreo cronológico del sudor in vitro. Este sistema combina una válvula y una bomba pasivas, que permiten la renovación cíclica del volumen dentro de una cámara de detección. Se observó que el desajuste entre la velocidad de absorción de la bomba pasiva y la generación de sudor en la entrada provocaba una desconexión temporal del fluido, restaurando la función de la válvula pasiva una vez superado el umbral. Las características del sistema pueden ajustarse según distintos requisitos, modificando el ancho de la válvula y las propiedades de la bomba pasiva. No obstante, la fabricación de este diseño requiere una alta resolución, lo que puede limitar la producción y dificultar la realización de pruebas a gran escala en humanos. Para solucionar este problema, se exploraron nuevos materiales y técnicas de fabricación con el fin de reducir el tiempo de diseño a experimento y mejorar la capacidad de producción. En resumen, la visión inicial de una nueva plataforma wearable microfluídica capaz de proporcionar mediciones no invasivas y en tiempo real de diversos biomarcadores se ha materializado con éxito. Además, han surgido varias líneas de investigación prometedoras, incluyendo avances en modelado de piel, diseño microfluídico, escalabilidad de fabricación y desarrollo de algoritmos. Finalmente, esta investigación ha dado lugar a un producto comercialmente disponible, demostrando que el monitoreo continuo a través del sudor ya es una tecnología lista para el mercado.
Sweat; Microfluidics; Wearable; Continuous; Real-time; Non-invasive; Bioequivalence.
621 - Enginyeria mecànica en general. Tecnologia nuclear. Electrotècnia. Maquinària; 612 - Fisiologia
Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria mecànica; Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria biomèdica
Tesi amb continguts retallats per motius de confidencialitat
Tesi amb menció de Doctorat Industrial (Generalitat de Catalunya)
ADVERTIMENT. Tots els drets reservats. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.