La fibra che rivela la disidratazione degli atleti


    Autore: Nicola Coppedé

    Abstract:

    Realizzare un dispositivo elettronico utilizzando come componente attivo una fibra di cotone è una sfida scientifica molto impegnativa. Grazie all’utilizzo di un polimero conduttivo e attraverso un’opportuna ingegnerizzazione è stato possibile realizzare uno speciale sensore integrabile direttamente nel tessuto ed in grado di misurare la concentrazione salina nel sudore umano.

    Conoscere il contenuto di sale nel proprio sudore, per un atleta, significa monitorare il suo stato di affaticamento e quindi la sua prestazione: è infatti dimostrato che i sali nel corpo umano giocano un ruolo chiave nella comunicazione tra nervi e muscoli, un loro calo eccessivo causa un drastico peggioramento nelle prestazioni, con perdita di efficienza e coordinazione.

    Un sensore elettrochimico integrato nel tessuto che permetta di leggere le concentrazioni di sale nel sudore consentirebbe un controllo “on line” della prestazione e dello stato di forma di un atleta, o di un lavoratore, aprendo nuove prospettive nelle capacità di monitoraggio del nostro stato di forma e di salute.

    Possibilità di realizzare un dispositivo interamente su tessuto:

    L’articolo dimostra che è possibile realizzare un dispositivo, interamente su tessuto, che opera in contatto diretto con liquidi e fluidi, ed è sensibile alle variazioni di concentrazione di sali nel sudore umano. Questo apre la strada al monitoraggio delle condizioni di un paziente o di un atleta in modo non invasivo, semplice ed a basso costo.

    Studi precedenti:

    Importanti ricerche sulla funzionalizzazione di tessuti con polimeri conduttori sono state condotte negli ultimi 5 anni. In particolare, secondo uno studio pubblicato nel 2007 su Nature, un gruppo di ricercatori guidati da Olle Inganas (Linkoping University, Svezia) ha realizzato invertitori logici e multiplexer basati su fibre tessili, aprendo la strada alla così detta wearable electronics.

    Successivamente, nel 2011 un gruppo di ricercatori italiani dell’Istituto di Nanoscienze del Cnr e Università di Cagliari e dell’Università di Bologna, hanno ottenuto delle fibre conduttive ricoprendo fili di cotone con nanoparticelle d’oro disperse in polimeri semiconduttori. Tuttavia l’utilizzo di gel-elettrolitici ne limitano l’integrazione in un comune capo di abbigliamento.

    Ad un anno di distanza, questo studio rivela per la prima volta, la possibilità di integrare un sensore attivo su un semplice filo di cotone (fig.1), capace di lavorare direttamente in liquido, a basse tensioni (inferiori a 1V) e in grado di misurare della concentrazione di sali nel sudore umano.

    Fig.1Dettaglio fibra e principio di funzionamento

    Funzionamento di un sensore elettrochimico e sfida tecnologica:

    Un sensore elettrochimico è un dispositivo basato su di un materiale elettricamente conduttivo (o semiconduttore), sensibile alla presenza di specie cariche, in grado cioè di variare la propria conducibilità al variare della concentrazione degli ioni presenti in soluzione.

    Un particolare tipo di sensore è quello basato su OECT (organic electrochemical transistor): tramite un elettrodo di controllo (gate), è possibile favorire (o interdire) lo spostamento degli ioni verso il materiale attivo, modificando così la corrente che attraversa il canale in funzione del numero di ioni presenti.

    La sfida tecnologica è l’implementazione del sensore direttamente su fibra, capace di lavorare a basso voltaggio e bassa potenza, direttamente in ambiente liquido. In questo caso, le variazioni di concentrazioni saline nel caso del sudore, possono rapidamente essere rivelate, con un dispositivo a basso costo e completamente integrabile nel tessuto.

    Le caratteristiche strutturali e di sensitività di questo dispositivo a basso costo, possono trovare interessanti applicazioni in ambito sportivo e medicale: infatti la capacità di monitorare la concentrazione salina nel sudore umano, è cruciale per determinare le condizioni atletiche e di salute in gara, poiché la disidratazione degli atleti è strettamente legata alla qualità delle loro prestazioni sportive.

    Inoltre valutare la disidratazione in maniera oggettiva, direttamente da un dispositivo integrato su tessuto, nelle condizione di lavoro in ambito di lavori usuranti, può risultare importante nella sicurezza sul lavoro. Infine possono essere valutate ulteriori applicazioni, come nel caso di pazienti non coscienti, in cui la rivelazione di condizioni di disidratazione può essere critica, e un dispositivo integrato nei tessuti rappresenta una soluzione di monitoraggio costante e non invasiva.

    In questo lavoro è stata valutata la sensibilità al contenuto di sale in acqua per diverse concentrazioni, in particolare nelle concentrazioni relative al contenuto salino nel sudore umano (30-80 mM): sono state condotte prove, valutando il grado di disidratazione, misurando il sudore di diversi atleti, prima e dopo l’attività sportiva.

    Ad esempio sono state misurate le concentrazioni del sudore dopo 10 min di jogging e successivamente dopo 40 min, risultando variate (diminuite) in maniera apprezzabile dal sensore su tutti gli atleti testati. Il dispositivo risulta quindi efficace nel range fisiologico del sudore umano, mostrando una potenzialità effettiva nell’e-textile.

    Gli studi sono ora orientati a comparare I parametri fisiologici (battito cardiaco, respirazione..) con misure in real time della concentrazione salina del sudore.

    Conclusioni:

    E’ stato realizzato un dispositivo integrato nei tessuti che per la prima volta consente la misura e il controllo della salinità del sudore umano direttamente durante una prestazione sportiva o lavorativa.

    Questa scoperta apre la strada a molti tipi di analisi e misure realizzate a basso costo in ambiente liquido direttamente da sensori integrati nell’abbigliamento, che consentono nuove forme di controllo e di sicurezza per la vita comune di molte persone, in maniera semplice e diretta.

    BIBLIOGRAFIA

    Giuseppe Tarabella, Marco Villani, Davide Calestani, Roberto Mosca, Salvatore Iannotta, Andrea Zappettini and Nicola Coppedè “A single cotton fiber organic electrochemical transistor for liquid electrolyte saline sensing” J. Mater. Chem., 2012, 22: 23830-23834

    Giuseppe Tarabella, Gaurav Nanda, Marco Villani, Nicola Coppedè, Roberto Mosca, George G. Malliaras, Clara Santato, Salvatore Iannotta and Fabio Cicoira “Organic electrochemical transistors monitoring micelle formation” ,Chemical Science,2012, 3 :3432-3435.

    SITOGRAFIA:

    Jounal of Mat chem. Paper: http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/jm/c2jm34898e

    Chem Sci Paper: http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/sc/c2sc21020g



    Newsletter

    Resta informato con le nostre notizie periodicamente

    Cliccando sul pulsante iscriviti acconsenti al trattamento dei tuoi dati. La tua email non verrà MAI ceduta a nessuno!