Separating Motion Artifacts from Biomarker Signals in Flexible MoS2 FET Cortisol Sensors: A Coupled Multiphysics Model and Finite-Element Analysis of Strain-Binding Cross-Talk and Mitigation Strategies
Questo articolo presenta un modello multifisico accoppiato e un'analisi agli elementi finiti per quantificare e valutare le strategie di mitigazione degli artefatti indotti dal movimento nei sensori di cortisolo MoS2 FET flessibili, rivelando che, sebbene la sottrazione tra sensori gemelli e l'assottigliamento del substrato riducano il cross-talk tra deformazione e legame, i design attuali faticano a soddisfare costantemente l'obiettivo di accuratezza di 1 ng/mL a causa dei persistenti effetti di contatto Schottky e delle limitazioni dipendenti dagli aptameri.
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Il corpo umano è una costante fonte di segnali chimici, e uno dei più importanti è il cortisolo, un ormone rilasciato durante lo stress. Misurare il cortisolo nel sudore offre un modo per monitorare i livelli di stress senza l'uso di aghi o prelievi di sangue, aprendo potenzialmente la strada a dispositivi indossabili che tracciano il nostro benessere in tempo reale. Per farlo, gli scienziati si stanno rivolgendo a sensori realizzati con il disolfuro di molibdeno, un materiale così sottile da avere solo pochi atomi di profondità. Questo estremo sottigliezza rende il sensore incredibilmente sensibile ai cambiamenti chimici, permettendogli di rilevare minuscole quantità di ormoni. Tuttavia, questa stessa sottigliezza crea un problema maggiore: il materiale è anche altamente sensibile allo stretching e alla flessione fisica. Quando una persona muove il braccio o cammina, il sensore si piega, e questo sforzo fisico cambia il segnale elettrico tanto quanto fa l'ormone stesso. Affinché un dispositivo sia utile, deve essere in grado di distinguere tra un segnale causato da un evento stressante e un segnale causato dal semplice atto di muovere il polso.
Ricercatori della Kwara State University e della Olabisi Onabanjo University in Nigeria si sono posti l'obiettivo di risolvere questo specifico enigma. Hanno costruito un modello computazionale dettagliato per simulare come si comporta un sensore flessibile fatto di disolfuro di molibdeno quando viene indossato sulla pelle. Invece di costruire un dispositivo fisico e testarlo in laboratorio, hanno creato una catena virtuale di eventi che inizia con una persona che muove il proprio corpo e finisce con la lettura elettrica sul sensore. Hanno modellato tre movimenti comuni: piegare il polso, piegare il gomito e camminare. Il loro obiettivo era vedere esattamente quanto del segnale elettrico derivi dal cortisolo e quanto sia invece "rumore" creato dal movimento. Hanno scoperto che, per un design standard del sensore, il movimento del polso da solo crea un segnale falso che è quasi la metà della dimensione del segnale massimo dell'ormone che il dispositivo dovrebbe misurare. Infatti, una singola flessione del polso potrebbe far pensare al dispositivo che l'utente sia sotto stress estremo quando in realtà è a riposo.
I ricercatori hanno scoperto che la fonte di questa confusione non è solo il film sottile in sé, ma i contatti metallici che collegano il film al resto del circuito. Quando il sensore si piega, i contatti metallici cambiano le loro proprietà elettriche in modo ancora più drammatico rispetto al materiale di rilevamento. Circa il 70 percento del segnale falso generato dal movimento proviene da questi punti di contatto. Questa scoperta è fondamentale perché suggerisce che rendere semplicemente il sensore più sottile o aggiungere uno strato protettivo non sia sufficiente a risolvere il problema. Infatti, lo studio ha dimostrato che aggiungere un'isola rigida e dura sotto il sensore per cercare di mantenerlo piatto non isola il canale come previsto. Sotto alcune condizioni di carico, l'isola rigida trattiene dal 18 al 109 percento della deformazione di base, il che significa che offre poca o nessuna protezione. In altre condizioni, dove la pelle detta la forma del patch, l'isola può effettivamente causare al canale fino al 300 percento della deformazione di base. Ciò contraddice un'idea comune nell'elettronica indossabile secondo cui irrigidire una piccola area protegge la parte sensibile, mostrando che ciò che funziona per lo stretching non necessariamente funziona per la flessione.
Per separare il vero segnale dell'ormone dal rumore del movimento, il team ha testato diverse strategie. Hanno scoperto che il semplice filtraggio dei cambiamenti rapidi del segnale, una tecnica spesso usata per altri tipi di sensori indossabili, non funziona. Questo perché piegare un'articolazione è un movimento lento e unidirezionale che appare molto simile a un cambiamento lento nei livelli di ormoni, quindi un filtro non può distinguerli. La soluzione più promettente prevede l'uso di due sensori affiancati. Un sensore è progettato per rilevare il cortisolo, mentre l'altro è un sensore "dummy" (comparativo) che non può rilevare l'ormone ma sperimenta esattamente lo stesso movimento fisico. Confrontando i due, il sistema può sottrarre il rumore del movimento. Tuttavia, questo metodo funziona solo se i due sensori sono perfettamente accoppiati e se il sensore principale è costruito su una base estremamente sottile. Lo studio ha dimostrato che combinando una base di plastica molto sottile con una coppia di sensori accoppiati, l'errore può essere ridotto a un livello vicino all'obiettivo per una misurazione accurata.
I risultati di questa simulazione forniscono una tabella di marcia chiara per la costruzione di questi dispositivi, ma evidenziano anche la difficoltà del compito. I ricercatori sottolineano che le loro scoperte si basano su modelli computazionali, non su esperimenti fisici, quindi i numeri rappresentano previsioni piuttosto che prove finali. Hanno scoperto che per i sensori posizionati sul dorso del polso, dove la flessione è frequente e netta, l'errore di movimento è così grande che è quasi impossibile ottenere una lettura accurata senza utilizzare il metodo del sensore gemello e una base ultra-sottile. Per il gomito, la situazione è leggermente migliore ma rimane comunque impegnativa. Lo studio conclude che, sebbene questa tecnologia offra grandi promesse per il monitoraggio dello stress, la strada verso un dispositivo indossabile affidabile richiede una progettazione attenta della struttura fisica del sensore, non solo della sua sensibilità chimica. Il lavoro funge da guida per i futori inventori, mostrando esattamente dove si trovano le insidie e quali scelte di progettazione hanno maggiori probabilità di successo nel separare i segnali chimici del corpo dai suoi movimenti fisici.
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