Search

Many sweat-based wearable monitoring systems have been recently proposed, but the data provided by those systems often lack a reliable and meaningful relation to standardized blood values. One clear example is lactate, a relevant biomarker for both sports and health sectors, with a complex sweat–blood bioequivalence. This limitation decreases its individual significance as a sweat-based biomarker. Taking into account the insights of previous studies, a multiparametric methodology has been proposed to predict blood lactate from non-invasive independent sensors: sweat lactate, sweat rate, and heart rate. The bioequivalence study was performed with a large set of volunteers (>30 subjects) in collaboration with sports institutions (Institut Nacional d’Educació Física de Catalunya, INEFC, and Centre d’Alt Rendiment, CAR, located in Spain). A neural network algorithm was used to predict blood lactate values from the sensor data and subject metadata. The developed methodology reliably and accurately predicted blood lactate absolute values, only adding 0.3 mM of accumulated error when compared to portable blood lactate meters, the current gold standard for sports clinicians. The approach proposed in this work, along with an integrated platform for sweat monitoring, will have a strong impact on the sports and health fields as an autonomous, real-time, and continuous monitoring tool, The authors kindly acknowledge the support from the Spanish Ministerio de Indústria, Energía y Turismo (AEI Clusters Program, AEI2009L1CA011), Ministerio de Ciencia y Innovació n (PID2020-114070RB-I00), Agencia Estatal de Investigación (RED2018-102829-T and CPP2021-009021), and AGAUR (2019 DI 18 and 2021PROD00064), Postprint (published version)

Blood testing has traditionally been the gold standard for the physiological analysis and monitoring of professional athletes. In recent years, blood testing has moved out of the laboratory thanks to portable handheld devices, such as lactate meters. However, despite its usefulness and widespread use, blood testing has several drawbacks and limitations, such as the need for the athlete to stop exercising for blood extraction and the inability to have data continuously collected. In this scenario, sweat has become an alternative to blood testing because of its rich content of electrolytes and metabolites, as well as small quantities of sugars, proteins, and ions. Nevertheless, there are few devices capable of analyzing this biofluid and providing useful information to users. In this paper, an electronic system designed for the autonomous analysis of sweat electrolytes and metabolites along with heart rate dynamics is presented. This system is part of a novel wearable device tailored for athletes that offers to the user a real-time assessment of their physiological status and performance, This work was supported by the Spanish Ministerio de Indústria, Energía y Turismo, grant numbers AEI-010500-2020-198 and AEI-010500-2022b-111, and AGAUR, grant numbers 2019 DI 18 and 2019 DI 29, Postprint (published version)

Programa de doctorat: Doctorat en Enginyeria Mecànica, Fluids i Aeronàutica

Aquest projecte neix de la necessitat de poder fer un monitoratge no invasiu de manera remota i continua per reduir la càrrega de feina a la sanitat pública mitjançant l’anàlisi en suor. La suor presenta molts reptes, però un de principal és la gestió dels petits volums i la renovació de la mostra. El projecte se centra en el disseny d'un circuit microfluídic passiu, és a dir, que es renovi la mostra de forma autònoma, per tal de fer un monitoratge de suor robust sense intervenir al dispositiu. La nostra proposta consisteix en la combinació d’una vàlvula passiva amb una bomba passiva amb l’objectiu de renovar la mostra de forma automàtica. El treball conté un marc teòric amb l’estat de l’art de la microfluídica en general, vàlvules i bombes passives i la microfluídica aplicada a la suor. Segueix amb una explicació dels dissenys de dispositiu que s’han estudiat. Per introduir la part més pràctica del treball, la fabricació dels dispositius, es fa una breu explicació del material i aparells utilitzats, seguida dels protocols de fabricació i ús del material. Un cop abordada la fabricació, s’explica com es caracteritza les vàlvules passives mitjançant assajos a pressió constant. Les bombes passives es caracteritzen per conèixer el volum desplaçat en cada cicle de funcionament mitjançant una recta de relació àrea-volum. I el comportament fluídic de les bombes s’obté mitjançant l'equació de Lucas-Washburn i un experiment mesurant la velocitat d'avanç del fluid pels papers. El conjunt del dispositiu s’assaja a condicions reals mitjançant assajos a cabal constant per estudiar-ne els cicles de funcionament. Finalment, s’estudien els resultats aconseguits per concloure que les vàlvules assajades aporten diferents temps de retenció segons l’amplada del seu canal. Per aquest motiu es poden usar per a diferents àmbits segons la necessitat de retenció, sigui mèdic o esportiu. Les bombes passives han funcionat perfectament sempre que no s’augmenti el cabal d’entrada de fluid cosa

En els últims anys la suor ha guanyat interès com a font, no invasiva, d’informació rellevant sobre l’estat de salut d’un subjecte. En l’àmbit de l’esport la pèrdua i la taxa de suor estan fortament relacionades amb la deshidratació, un problema important per a un/a esportista. Avui en dia s’han proposat múltiples estratègies per controlar aquestes variables, però la nostra proposta d’estudi és un sensor quimiresistor que consisteix en un substrat ajustable en volum (paper) modificat amb un nanomaterial conductor (tinta de nanotubs de carboni) que produeix un canvi en les propietats elèctriques (resistència) en funció de l’aigua absorbida (volum de suor). En altres treballs s’ha optimitzat la formulació de la tinta, variant el tipus, la quantitat de nanotubs de carboni o la composició de la tinta però no es va estudiar la influència del paper. Per aquesta raó en aquest treball es centrarà més en estudiar el rol del substrat, paper, en el sensor quimiresistor i possibles vies de millorar-ne les seves característiques. En aquest estudi s’ha abordatl’efecte del substrat en el comportament del sensor des de diferents perspectives i metodologies. S’ha comprovat que és un procés reproduïble i s’ha arribat a la conclusió que, tot i que no és un estudi determinant, el paper de filtre Whatman 1 seria un candidat potencial a ser un dels substrats òptim per la fabricació de sensors ja que permetria optimitzar el procés de fabricació i proporciona propietats interessants com una alta porositat, un bon comportament fluídic i un rang lineal elevat entre altres. Encara més rellevant, s’ha demostrat que el substrat dels sensors quimiresistors té importància dins del funcionament del sensor i que és una part a ser optimitzada segons l’aplicació

Skin models offer an in vitro alternative to human trials without their high costs, variability, and ethical issues. Perspiration models, in particular, have gained relevance lately due to the rise of sweat analysis and wearable technology. The predominant approach to replicate the key features of perspiration (sweat gland dimensions, sweat rates, and skin surface characteristics) is to use lasermachined membranes. Although they work effectively, they present some limitations at the time of replicating sweat gland dimensions. Alternative strategies in terms of fabrication and materials have also showed similar challenges. Additional research is necessary to implement a standardized, simple, and accurate model representing sweating for wearable sensors testing, This research was funded by the Agència de Gestió d’Ajuts Universitaris i Recerca (AGAUR), for the Industrial PhD grant number 2019 DI 18. This work was partially funded thanks to the Red Nacional de Microfluídica RED2018-102829-T and the Spanish Ministry of Economy and Competitivity, grant CTQ2017-84966-C2-1-R, Postprint (published version)

Aquest present projecte està emmarcat dins l’estudi del grup de recerca IMEM (Innovation in Materials and Molecular Engineering) del Departament d’Enginyeria Química de l’EEBE de la Universitat Politècnica de Catalunya. S’estudiarà i portarà a terme la preparació de sensors polimèrics multicapa per a la detecció de neurotransmissors en presència d’interferents en un elèctrode de carboni vitri de dos mil·límetres de diàmetre. Els polímers conductors emprats seran el Poli(3,4-etilendioxitiofè) (PEDOT) i el Poli(N-metilpirrole) (PNMPy) electrogenerats. Com a neurotransmissors s’utilitzarà la dopamina i la serotonina i, finalment, com a medis interferents es faran servir l’orina i la suor. Els sensors polimèrics multicapa preparats seran quatre i tindran les següents configuracions. - Sensor 1: PEDOT/PNMPy/PEDOT - Sensor 2: PEDOT/COPOLÍMER/PEDOT - Sensor 3: PEDOT/PNMPy/porus/PEDOT - Sensor 4: PEDOT/COPOLÍMER/porus/COPOLÍMER/PEDOT La capa de copolímer es tracta d’una solució que conté ambdós monòmers de treball, NMPy i EDOT. Els dos últims sensors contenen una capa intermèdia de porus, és a dir, nanoperforacions obtingudes amb NaCl. S’utilitzaran mètodes potenciomètrics per a la generació de les multicapa i per a la detecció dels neurotransmissors. Per a la generació la cronoamperometria i per a la detecció i caracterització la ciclovoltamperometria. Per a la detecció no simultània dels neurotransmissors, es realitzarà addicions de les solucions stock de serotonina o dopamina a la cel·la electrolítica, que aniran de 0 – 100 µM. Així mateix, s’estudiarà els pics detectats, els límits de detecció i quantificació i la pèrdua d’electroactivitat. Finalment, s’afirma que és satisfactòria la detecció de la dopamina en medi orina i suor pels quatre sensors, que la detecció de la serotonina en medi orina també és satisfactòria i vàlida però que la detecció de la serotonina en medi suor no resulta ser concloent., Este presente proyecto está enmarcado dentro del grupo de investigación IMEM (Innovation in Materials and Molecular Engineering) del Departamento de Ingeniería Química de la EEBE de la Universidad Politécnica de Catalunya. Se estudiará y se llevará a cabo la preparación de sensores poliméricos multicapa para la detección de neurotransmisores en presencia de interferentes en un electrodo de carbono vítreo de dos milímetros de diámetro. Los polímeros conductores utilizados serán el Poli (3,4-Etilendioxitiofeno) (PEDOT) y el Poli (N-metilpirrol) (PNMPy) electrogenerados. Como neurotransmisores se utilizarán la dopamina y la serotonina y, finalmente, como medios interferentes se utilizan la orina y el sudor. Los sensores poliméricos multicapa preparados serán cuatro y tendrán las siguientes configuraciones. - Sensor 1: PEDOT/PNMPy/PEDOT - Sensor 2: PEDOT/COPOLÍMERO/PEDOT - Sensor 3: PEDOT/PNMPy/poros/PEDOT - Sensor 4: PEDOT/COPOLÍMERO/poros/COPOLÍMERO/PEDOT La capa de copolímero se trata de una solución que contiene ambos monómeros de trabajo, NMPy y EDOT. Los dos últimos sensores tienen una capa intermedia de poros, es decir, nanoperforaciones obtenidas con NaCl. Se utilizarán métodos potenciométricos para la generación de las diferentes multicapa y para la detección de los neurotransmisores. Para la generación la cronoamperometría y para la detección y caracterización la ciclovoltamperometria. Para la detección no simultánea de los neurotransmisores, se realizarán adiciones de las soluciones stock de serotonina o dopamina en la celda electrolítica, que irán de 0 – 100 µM. Asimismo, se estudiará los picos detectados, los límites de detección y la perdida de electroactividad. Finalmente, se afirma que es satisfactoria la detección de la dopamina en orina y sudor por los cuatro sensores, que la detección de la serotonina en orina también es satisfactoria y válida, pero que la detección de la serotonina en sudor no resulta ser concluyente., This project is part of the study of the IMEM (Innovation in Materials and Molecular Engineering) research group of the Department of Chemical Engineering of the Polytechnic University of Catalonia. The preparation of the multilayer polymeric sensors for the detection of neurotransmitters in the presence of interferences on a two-millimeter diameter glassy carbon electrode will be studied and carried out. The conductive polymers used will be Poly (3,4. Ethylenedioxythiophene) (PEDOT) and Poly (N-methylpyrrol) (PNMPy) electrogenerated. Urine and sweat will be used as interferences and dopamine and serotonin as neurotransmitters. The multilayer polymeric sensors generated will be four and will have the following configuration. - Sensor 1: PEDOT/PNMPy/PEDOT - Sensor 2: PEDOT/COPOLIMER/PEDOT - Sensor 3: PEDOT/PNMPy/pore/PEDOT - Sensor 4: PEDOT/COPOLIMERO/pore/COPOLIMER/PEDOT The copolymer layer is a solution containing both working monomers, NMPy and EDOT. The last two sensors have an intermediate layer of pores, these are nanopores obtained with NaCl. Potentiometric methods will be used for the generation of the multilayers and for the detection of the neurotransmitters. For the generation the chronoamperometry and for the detection and characterization the cyclo-voltammetry. For non-simultaneous detection of neurotransmitters, additions of dopamine or serotonin stock solutions in the electrolytic cell will be made, ranging from 0-100 µM. The detected peaks, limit of detection and quantification and loss of electroactivity will also be studied. Finally, it is stated that the detection of dopamine in urine and sweat by the four sensors is satisfactory, that the detection of serotonin in urine is also satisfactory and valid but that the detection of serotonin in sweat is non-conclusive.

A standardized and cost-effective perspiration phantom for in vitro testing is needed to replace the variable and resource consuming human tests at research level. Here, an alternative to the existing devices, which mainly are made of laser-perforated thin membranes, is presented using polydimethylsiloxane (PDMS) and soft lithography. The proposed method overcomes the fabrication challenges of replicating the eccrine sweat gland structure. Sweat glands conduits are faithfully defined in-plane and the skin interface is created by bonding multiple PDMS layers. Parameters such as sweat duct diameter, sweat gland density and wettability properties were successfully replicated, Postprint (published version)