Paper-based batteries as key enablers for self-powered conductivity sensing
- Autores: Laura Ortega Tañá
- Directores de la Tesis: Neus Sabatè Vizcarra (dir. tes.), Juan Pablo Esquivel Bojorquez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Beatriz Prieto Simón (presid.), Jordi Colomer Farrarons (secret.), Larraitz Añorga Gómez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería y Ciencias Aplicadas por la Universidad de Barcelona
- Materias:
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- Resumen
Esta tesis presenta el desarrollo de diferentes dispositivos autoalimentados que permiten la medida de la conductividad de muestras líquidas, desde diferentes tipos de aguas a fluidos biológicos. Los dispositivos se han desarrollado con el objetivo de ofrecer sistemas robustos de un solo uso siguiendo los criterios dictados por la OMS para dispositivos Point of Care (PoC), los criterios de ASSURED (Affordable, Sensitive, Specific, User-friendly, Rapid and robust, Equipment-free and Deliverable to endusers). Para el desarrollo de estos dispositivos se han utilizado tres impulsores tecnológicos como son la utilización dela electrónica impresa, de la microfluídica en papel y de sistemas autoalimentados. Con la combinación de estas tres tecnologías se han desarrollado tres prototipos muy diferentes para el análisis de la conductividad de diferentes muestras, proporcionando un resultado digital e inequívoco.
En el primer capítulo se hace una introducción sobre la motivación del desarrollo dispositivos ASSURED y de cómo la utilización de los tres impulsores tecnológicos permite la obtención de dispositivos de un solo uso completamente funcionales. Para ello se evalúa el estado del arte sobre los tres impulsores tecnológicos y su integración para el desarrollo de dispositivos digitales autoalimentados ASSURED.
En el segundo capítulo se profundiza en la unidad básica que permite la autoalimentación de los dispositivos, una batería sensora de conductividad basada en papel. En este capítulo se explican las bases que permiten que esta batería sea sensible a la conductividad del electrolito introducido en su núcleo de papel y cómo se puede extraer de la batería una señal directamente relacionada con la conductividad del electrolito. Finalmente, la batería se prueba con diferentes líquidos, dejando patente su idoneidad para el análisis de muestras biológicas.
En el tercer capítulo se desarrolla el primer dispositivo autoalimentado para la medida de diferentes tipos de aguas. Éste contiene dos baterías sensoras de conductividad interconectadas que permiten la medida de la conductividad del electrolito, un circuito híbrido fabricado por electrónica impresa y al que se le han hibridado componentes electrónicos discretos y un indicador electrocrómico que muestra el valor de la conductividad del electrolito en una escala de niveles.
En el cuarto capítulo se fabrica un dispositivo médico en forma de parche para la piel para el cribado de la Fibrosis Quística. El parche se ha diseñado siguiendo los estándares dictados por la Fundación de Fibrosis Quística y el CLSI (Clinical and Laboratory Standards Institute) para el desarrollo de un dispositivo de cribado. El parche contiene también dos baterías sensoras de conductividad conectadas entre ellas, un circuito impreso hibridado con componentes electrónicos y dos indicadores electrocrómicos, que indican si se tiene o no la enfermedad. El funcionamiento del parche se validó utilizando muestras de sudor artificial a la conductividad umbral que presentan los pacientes de Fibrosis Quística y a un -20% de la conductividad umbral.
Finalmente, en el quinto capítulo se presentan los primeros pasos del desarrollo de un parche capaz de almacenar el sudor de deportistas para su posterior análisis con la batería sensora de conductividad. Primero se validó el diseño del parche en una cursa local donde se colocaron dos parches a una serie de participantes de la cursa después se les midió la conductividad obteniendo resultados muy similares entre sí (con un coeficiente de variación de menos de un 10% en el 75% de los sujetos).
Seguidamente, se evaluaron diferentes estructuras de baterías sensoras de conductividad para obtener el mejor rendimiento posible en términos de rango Página 4 de 4 dinámico de medida, sensibilidad y linealidad. Una vez se decidió cual era la mejor estructura de la batería, se comparó su rendimiento con el de un conductímetro comercial utilizando muestras de sudor reales. De este estudio se observó que los valores de conductividad proporcionados por la batería distaban del comercial en menos de un 10% en el 68% de los casos, entre un 10 y un 20% en un 21% de los casos y más de un 20% en un 11% de los casos, concluyendo así la efectividad de la medida de nuestra batería en un 68%.
