BR112016016761B1

BR112016016761B1 - Dispositivo de sensor eletroquímico para detectar analitos em saliva e células de biocombustível

Info

Publication number: BR112016016761B1
Application number: BR112016016761-9A
Authority: BR
Inventors: Joseph Wang; Patrick Mercier
Original assignee: The Regents Of The University Of California
Priority date: 2014-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2022-03-22
Also published as: BR112016016761A2; EP3097411A4; US20200367793A1; US11980462B2; IL246080A0; CA2932302A1; JP6576952B2; EP3097411B1; EP3097411A1; CN106104264A; ES2805474T3; IL246080B; US20160338626A1; US10595759B2; KR20160111399A; KR102379460B1; MX373009B; WO2015112638A1; MX2016009127A; CN106104264B

Abstract

dispositivo de sensor eletroquímico para detectar analitos em saliva e células de biocombustível. a presente invenção revela métodos, sistemas e dispositivos para biossensores com base na boca e células de biocombustível. em um aspecto, um dispositivo de sensor eletroquímico para detectar analitos em saliva inclui um substrato que inclui um material eletricamente isolante, um primeiro eletrodo disposto no substrato em um primeiro local, em que o primeiro eletrodo inclui uma superfície que inclui um agente químico (por exemplo, um catalisador ou um reagente) que corresponde a um analito em saliva; e um segundo eletrodo disposto no substrato em um segundo local separado do primeiro eletrodo por uma região de espaçamento, em que o primeiro e o segundo eletrodos têm capacidade para sustentar uma reação redox que envolve o agente químico e o analito para produzir um sinal elétrico, de forma que, quando o dispositivo estiver presente na boca de um usuário e eletricamente acoplado a um circuito elétrico, o dispositivo seja operável para detectar o analito na saliva do usuário.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[0001] Este documento de patente reivindica os benefícios e a prioridade do Pedido de Patente Provisório no U.S. 61/929.946, intitulado “MOUTHBASED BIOSENSORS AND BIOFUEL CELLS”, depositado em 21 de janeiro 2014. O conteúdo completo do pedido supracitado está incorporado a título de referência como parte da revelação deste pedido.

DECLARAÇÃO EM RELAÇÃO À PESQUISA OU AO DESENVOLVIMENTO PATROCINADO PELO GOVERNO FEDERAL

[0002] Esta invenção foi desenvolvida com financiamento do governo sob subsídio no CBET-1066531, concedido pela National Science Foundation (Fundação Nacional para a Ciência). O governo tem determinados direitos na invenção.

CAMPO DA TÉCNICA

[0003] Este documento de patente se refere a tecnologias de sensor molecular para detectar substâncias biológicas, substâncias químicas e outras substâncias e tecnologias de células de combustível.

ANTECEDENTES

[0004] Sensores com base em processos eletroquímicos podem ser usados para detectar uma substância química ou uma substância biológica (por exemplo, um organismo) com o uso de um elemento transdutor para converter um evento de detecção em um sinal para processamento e/ou exibição. Os biossensores podem usar materiais biológicos como o componente biologicamente sensível, por exemplo, tais como biomoléculas que incluem enzimas, anticorpos, ácidos nucleicos, etc., assim como células vivas. Por exemplo, os biossensores moleculares podem ser configurados para usar propriedades químicas específicas ou mecanismos de reconhecimento molecular para identificar agentes-alvo. Os biossensores podem usar o elemento transdutor para transformar um sinal, que resulta da detecção de um analito pelo componente biologicamente sensível, em um sinal diferente que pode ser abordado por meios ópticos, eletrônicos ou por outros meios. Por exemplo, os mecanismos de transdução podem incluir meios fisico-químicos, eletroquímicos, ópticos, piezoelétricos, assim como outros meios de transdução.

[0005] Uma célula de combustível é um dispositivo que converte energia química de uma substância (por exemplo, denominada como um combustível) em energia elétrica (por exemplo, eletricidade). Em geral, a conversão de energia inclui uma reação química com oxigênio ou outro agente oxidante. Por exemplo, o hidrogênio está entre um combustível comum e os hidrocarbonetos, tais como gás natural e álcoois, podem ser usados em células de combustível. Por exemplo, as células de combustível são diferentes de baterias pelo fato de que as mesmas exigem uma fonte constante de combustível e oxigênio para operar, mas podem produzir eletricidade de modo contínuo, desde que as entradas de combustível e de oxigênio sejam supridas para a célula de combustível.

SUMÁRIO

[0006] Dispositivos com base na boca e sistemas que funcionam como biossensores e células de biocombustível (BFC) são revelados. Em algumas implantações, dispositivos de biossensor metabólito utilizáveis incluem eletrodos de enzima imprimíveis integrados em um protetor bucal que exibe alta sensibilidade, seletividade e estabilidade com o uso de amostras de saliva totalmente humana para fornecer informações não invasivas e em tempo real em relação à saúde do usuário, ao desempenho e ao nível de estresse. Em algumas implantações, os dispositivos de célula de biocombustível utilizados na boca utilizáveis incluem estruturas formadas na superfície de um protetor bucal para colher potência da saliva. As aplicações dos dispositivos e sistemas revelados incluem monitoramento biomédico e de preparação física e BFCs utilizáveis para alimentar diversos dispositivos utilizáveis/portáteis.

[0007] Em um aspecto, um dispositivo de sensor eletroquímico para detectar analitos em saliva inclui um substrato que inclui um material eletricamente isolante; um primeiro eletrodo disposto no substrato em um primeiro local, em que o primeiro eletrodo inclui uma superfície que inclui uma substância química que inclui um catalisador ou um reagente que corresponde a um analito em saliva; e um segundo eletrodo disposto no substrato em um segundo local separado do primeiro eletrodo por uma região de espaçamento, em que o primeiro e o segundo eletrodos têm capacidade para sustentar uma reação redox que inclui a substância química e o analito para produzir um sinal elétrico, de forma que, quando o dispositivo estiver presente na boca de um usuário e eletricamente acoplado a um circuito elétrico, o dispositivo seja operável para detectar o analito na saliva do usuário.

[0008] Em um aspecto, um método para detectar um analito em saliva e alimentar um dispositivo a partir da saliva inclui extrair energia elétrica, em eletrodos de ânodo e cátodo de uma célula de biocombustível fixada a um dispositivo com base na boca utilizável na boca de um usuário, a partir de uma substância biocombustível presente em saliva, convertendo-se a substância biocombustível para um primeiro produto em um processo oxidativo que libera elétrons capturados no ânodo e reduzindo-se uma substância química na saliva para um segundo produto em um processo de redução química, em que o segundo produto ganha elétrons no cátodo; suprir a energia elétrica extraída para eletrodos de um sensor eletroquímico fixado ao dispositivo com base na boca para ativar o sensor eletroquímico; e detectar, nos eletrodos do sensor eletroquímico ativado em contato com a saliva na boca do usuário, um sinal elétrico produzido como um resultado de uma reação redox que envolve um analito na saliva e um agente químico acoplado a um eletrodo do sensor eletroquímico.

[0009] Em um aspecto, um dispositivo para detectar um analito em saliva e alimentar um dispositivo a partir da saliva inclui um substrato que inclui um material eletricamente isolante, em que o substrato é estruturado para se fixar a um dispositivo utilizado na boca que pode se encaixar dentro de uma boca do usuário; um sensor eletroquímico para detectar um analito salivar; uma célula de biocombustível para extrair bioeletroquimicamente energia a partir da saliva para fornecer potência elétrica para o dispositivo e um circuito elétrico acoplado eletricamente entre a célula de biocombustível e o sensor eletroquímico por meio de interconexões elétricas para obter a energia extraída como energia elétrica a partir da célula de biocombustível e para suprir a energia elétrica para o sensor eletroquímico. O sensor eletroquímico inclui um primeiro eletrodo disposto no substrato em um primeiro local, em que o primeiro eletrodo inclui uma superfície que inclui uma substância química que inclui um catalisador ou um reagente que corresponde ao analito salivar; e um segundo eletrodo disposto no substrato em um segundo local separado do primeiro eletrodo por um espaçamento, em que o primeiro e o segundo eletrodos são operáveis para sustentar uma reação redox que envolve a substância química e o analito salivar para produzir um sinal elétrico detectável pelo primeiro e pelo segundo eletrodos. A célula de biocombustível inclui um ânodo disposto no substrato e que inclui um material eletricamente condutor, em que o ânodo inclui um catalisador de célula de combustível para facilitar a conversão de uma substância combustível na saliva em um primeiro produto em um processo oxidativo que libera elétrons capturados no ânodo, extraindo, desse modo, energia a partir da substância combustível e um cátodo disposto no substrato adjacente ao ânodo e separado do mesmo, em que o cátodo inclui um material que é eletricamente condutor e que tem a capacidade para reduzir uma substância oxigenada na saliva em um segundo produto em um processo de redução química, em que o segundo produto ganha elétrons. Quando o dispositivo está presente na boca do usuário, o dispositivo é operável para detectar o analito salivar na saliva do usuário.

[0010] A matéria descrita neste documento de patente pode ser implantada de maneiras específicas que fornecem um ou mais dentre os seguintes recursos. Por exemplo, os sistemas e dispositivos revelados têm capacidade para monitoramento em tempo real de metabólitos e constituintes eletroativos de saliva e podem oferecer colheita de energia contínua para alimentar aparelhos eletrônicos na boca.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0011] A Figura 1A mostra uma ilustração esquemática de um dispositivo de sensor eletroquímico salivar exemplificativo da tecnologia revelada empregada em um protetor bucal.

[0012] A Figura 1B mostra uma ilustração esquemática de uma configuração de eletrodo exemplificativa do dispositivo na Figura 1A projetado para monitoramento de lactato salivar.

[0013] A Figura 1C mostra um diagrama em blocos de uma modalidade exemplificativa de um dispositivo de célula de biocombustível da presente tecnologia.

[0014] A Figura 1D mostra uma ilustração esquemática de um biossensor salivar integrado e um dispositivo de célula de combustível da tecnologia revelada empregados em um protetor bucal.

[0015] A Figura 2 mostra uma plotagem de dados cronoamperográficos de resultados exemplificativos que retratam a faixa dinâmica do dispositivo de biossensor eletroquímico salivar ao detectar lactato.

[0016] A Figura 3 mostra uma plotagem de dados de resultados exemplificativos que mostram a seletividade do dispositivo de biossensor eletroquímico salivar na presença de compostos eletroativos fisiologicamente relevantes.

[0017] A Figura 4 mostra uma plotagem de dados de resultados exemplificativos que mostram a estabilidade da resposta eletroquímica do biossensor de protetor bucal exemplificativo ao lactato ao longo do tempo.

[0018] A Figura 5 mostra uma plotagem de dados cronoamperográficos de resultados exemplificativos que mostram a resposta do biossensor de protetor bucal exemplificativo ao lactato na amostra de saliva humana.

[0019] A Figura 6 mostra uma plotagem de dados de resultados exemplificativos que mostram a estabilidade de resposta do biossensor de protetor bucal exemplificativo a uma amostra de saliva humana.

[0020] A Figura 7 mostra uma ilustração esquemática de um dispositivo de sensor eletroquímico salivar exemplificativo empregado em um protetor bucal, que inclui uma ilustração explodida de uma configuração de eletrodo exemplificativa do dispositivo projetado para monitoramento de glicose salivar.

[0021] A Figura 8 mostra uma plotagem de dados cronoamperográficos de resultados exemplificativos obtidos para aumentar a concentração de glicose por um dispositivo de biossensor eletroquímico salivar.

[0022] A Figura 9 mostra um diagrama em blocos de um dispositivo de sensor eletroquímico exemplificativo da tecnologia revelada que pode ser implantado em dispositivos de protetor bucal exemplificativos, tais como aqueles mostrados na Figura 1A e na Figura 7A, por exemplo.

[0023] A Figura 10A mostra uma ilustração esquemática e um diagrama de um biossensor integrado, uma célula de biocombustível e uma plataforma de dispositivo eletrônico empregados em um protetor bucal.

[0024] A Figura 10B mostra um diagrama em blocos de uma unidade de processamento e comunicação eletrônica exemplificativa da plataforma integrada.

[0025] A Figura 11A mostra uma fotografia de um sensor eletroquímico impresso em tela exemplificativo da tecnologia revelada integrado com um protetor bucal.

[0026] A Figura 11B mostra uma ilustração esquemática de uma configuração de eletrodo exemplificativa de um biossensor de ácido úrico salivar exemplificativo que inclui uma camada reagente do eletrodo de trabalho em um substrato.

[0027] A Figura 12A mostra dados cronoamperográficos que retratam a resposta de um biossensor de ácido úrico exemplificativo obtidos para aumentar concentrações de ácido úrico.

[0028] A Figura 12B mostra resultados exemplificativos da resposta do biossensor exemplificativo ao ácido úrico na presença de interferentes fisiológicos eletroativos comuns.

[0029] A Figura 12C mostra resultados exemplificativos da estabilidade de resposta eletroquímica do biossensor exemplificativo ao ácido úrico ao longo do tempo amostrados em múltiplos intervalos.

[0030] A Figura 13A mostra dados cronoamperométricos que retratam a resposta eletroquímica de um biossensor de ácido úrico exemplificativo em saliva humana não diluída.

[0031] A Figura 13B mostra uma plotagem de dados que retrata a estabilidade dos dados de resposta em saliva humana.

[0032] A Figura 14A mostra uma plotagem de dados de níveis de ácido úrico salivar obtidos por monitoramento contínuo com o uso de um biossensor exemplificativo de uma pessoa saudável e uma paciente de hiperuricemia.

[0033] A Figura 14B mostra uma plotagem de dados de níveis de ácido úrico salivar do paciente de hiperuricemia monitorado pelo biossensor exemplificativo por múltiplos dias enquanto sob tratamento.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0034] Os biossensores utilizáveis ganharam um interesse considerável devido a sua promessa de monitoramento em tempo real da saúde e da aptidão do usuário em uma faixa ampla de cenários biomédicos, de esporte e militares. Trabalhos anteriores sobre dispositivos e sistemas de biossensor utilizáveis focaram, tipicamente, em monitorar sinais vitais a partir de sinais físicos, tais como eletrocardiografia e oximetria de pulso. Ainda assim, os sensores eletroquímicos utilizáveis não invasivos podem render percepções úteis sobre o estado de saúde geral e o desempenho de indivíduos além de parâmetros físicos sozinhos.

[0035] Os biossensores utilizáveis podem ser usados para detectar biomarcadores químicos em fluidos humanos que podem ser obtidos de modo não invasivo, por exemplo lágrimas, suor ou saliva. Dentre esses fluidos exemplificativos, a saliva pode ser extremamente atrativa para tal monitoramento não invasivo, em parte devido a sua disponibilidade contínua e conveniente. Adicionalmente, a saliva tem uma boa correlação com concentrações de sangue de diversos analitos. Tal correlação reflete a permeação de múltiplos constituintes a partir do sangue para a saliva através de trajetórias transcelulares ou paracelulares. Por exemplo, a sialoquímica pode ser uma alternativa não invasiva útil para análise de sangue para monitorar os estados hormonais, de estresse e metabólicos de indivíduos. Sistemas de sensor salivar existentes, tais como pH com base em dentição e sensores de temperatura ou citossensores de bactérias, são unidades residentes que não têm capacidade para serem usados como biossensores utilizáveis não invasivos para monitorar metabólitos salivares, por exemplo, apesar da alta correlação estabelecida entre o nível de metabólitos salivares e sua concentração de sangue correspondente.

[0036] Além disso, dispositivos semelhantes a protetores bucais representam um exemplo para o desafio da integração 3D de detecção e eletrônicos dentro de um dispositivo utilizável. Tais dispositivos oferecem um potencial único para detecção em biomarcadores em tempo real em saliva com a habilidade para render informações complexas e contínuas sobre o bem- estar do usuário. Atualmente, existem protetores bucais de monitoramento de impacto no mercado. Entretanto, esses dispositivos de protetor bucal de monitoramento de impacto focam principalmente em ferimento relacionado a impacto em esportes e não envolvem detecção química ou colheita de potência.

[0037] Revelam-se técnicas de sensor eletroquímico utilizável e de geração de energia, sistemas e dispositivos que detectam e utilizam metabólitos em saliva de uma boca do usuário.

[0038] Os dispositivos de biossensor utilizável e de células de biocombustível (BFC) da tecnologia revelada podem incluir eletrodos de enzima imprimíveis integrados em um protetor bucal que exibem alta sensibilidade, seletividade e estabilidade com o uso de amostras de saliva humana inteiras para fornecer informações não invasivas e em tempo real em relação à saúde do usuário, ao desempenho e ao nível de estresse. Os dispositivos de biossensor utilizado na boca e de BFC revelados podem incluir estruturas formadas na superfície de um protetor bucal para colher potência a partir da saliva. As aplicações dos dispositivos e sistemas revelados incluem monitoramento biomédico e de preparação física e BFCs utilizáveis para alimentar diversos dispositivos utilizáveis/portáteis.

[0039] Em um aspecto, a tecnologia revelada inclui biossensores eletroquímicos não invasivos, os quais podem ser empregados em um protetor bucal ou em outro item utilizável na boca de um usuário para fornecer monitoramento contínuo de metabólitos salivares. As modalidades exemplificativas dos dispositivos de sensor eletroquímico revelados são descritas neste documento de patente e implantações exemplificativas foram desempenhadas, as quais demonstram o conceito do biossensor em boca, incluindo um biossensor enzimático amperométrico imprimível integrado em uma plataforma de protetor bucal facilmente removível para monitoramento não invasivo de analitos salivares, por exemplo, incluindo lactato. Por exemplo, os dispositivos de sensor eletroquímico exemplificativos podem empregar um ou mais tipos de enzimas nos eletrodos que são selecionadas para interagir com analitos-alvo (por exemplo, o substrato enzimático correspondente) na saliva. O protetor bucal que emprega os dispositivos de biossensor eletroquímico revelados pode incluir um dispositivo de célula de biocombustível com base em saliva para extrair energia a partir de constituintes químicos na saliva, os quais podem ser usados para alimentar os dispositivos de biossensor eletroquímico e os circuitos elétricos e/ou os dispositivos eletrônicos incorporados no protetor bucal.

[0040] Os protetores bucais são amplamente usados por atletas em esportes competitivos e recreativos, visto que os mesmos oferecem uma proteção considerável contra ferimentos dentais relacionados a esportes. Os protetores bucais são, tipicamente, artigos poliméricos projetados para se encaixar firme e confortavelmente sobre os dentes e representam uma plataforma atrativa com volume o suficiente para montar sensores miniaturizados, aparelhos eletrônicos de controle/aquisição e transmissores sem fio. Diferente de sensores de saliva residentes permanentes relatados anteriormente, a tecnologia revelada inclui dispositivos de sensor eletroquímico empregados em um protetor bucal que podem ser facilmente utilizados e substituídos sem qualquer assistência especializada. De modo importante, visto que o sensor utilizável e o dispositivo atuador exemplificativos são configurados para estarem sempre em contato direto com a saliva, as informações fisiológicas podem ser medidas em tempo real sem interrupção, abrindo, desse modo, um novo caminho para avaliação contínua de alterações de metabólitos dinâmicas.

[0041] Descrevem-se projetos de dispositivo e de sistema exemplificativos e técnicas operacionais de biossensores amperométricos com base em protetor bucal e células de biocombustível da presente tecnologia com o uso de metabólitos, espécies eletroativas e biocombustíveis naturalmente presentes em saliva.

[0042] A Figura 1A mostra uma ilustração esquemática de um dispositivo de sensor eletroquímico salivar 100 da tecnologia revelada empregado em um protetor bucal que pode ser utilizado em uma boca do usuário. O sensor eletroquímico 100 inclui um substrato 101 que inclui um material eletricamente isolante. O sensor eletroquímico 100 inclui um contingente de eletrodo 102 que inclui dois ou mais eletrodos dispostos no substrato 101. Por exemplo, os eletrodos do contingente de eletrodo 102 podem incluir um material eletricamente condutor, o qual pode incluir um material eletrocatalítico. Em uma modalidade, o contingente de eletrodo 102 inclui um eletrodo de trabalho e um contraeletrodo. O eletrodo de trabalho é disposto no substrato 101 e o contraeletrodo disposto no substrato 101 em um local separado do eletrodo de trabalho (por exemplo, por um espaçamento). O eletrodo de trabalho é configurado em uma estrutura de eletrodo 102a, conforme mostrado na Figura 1B. A estrutura de eletrodo 102a inclui um material eletricamente condutor 106 disposto no substrato 101, em que o material eletricamente condutor 106 é revestido por uma camada transdutora eletroquímica 107 que inclui uma substância química para causar uma reação eletroquímica que é detectável nos eletrodos do contingente de eletrodo 102. Por exemplo, em algumas implantações, a substância química inclui um catalisador para catalisar seletivamente um analito correspondente na saliva para causar ou facilitar uma reação que produz um sinal detectável nos eletrodos 102. Em algumas implantações, por exemplo, a substância química contida na camada 107 inclui um reagente químico para reagir quimicamente com o analito correspondente na saliva para criar o sinal detectável nos eletrodos 102. Os eletrodos 102 têm capacidade para sustentar uma reação redox para produzir uma espécie eletricamente carregada que pode ser transduzida como um sinal elétrico nos eletrodos, de forma que, quando o dispositivo de sensor eletroquímico 100 estiver presente na boca de um usuário e eletricamente acoplado a um circuito elétrico, o dispositivo de sensor 100 é operável para detectar o analito químico na saliva da boca do usuário. No exemplo mostrado na Figura 1B, a substância química contida na camada transdutora eletroquímica 107 inclui lactato oxidase (LOx), a qual pode catalisar a reação redox com lactato (por exemplo, o analito selecionado na saliva a ser detectado) que gera o sinal elétrico nos eletrodos 102.

[0043] Na modalidade exemplificativa do dispositivo de biossensor salivar 100 mostrada nas Figuras 1A e 1B, o contingente de eletrodo 102 inclui três eletrodos: um eletrodo de trabalho que inclui a estrutura de eletrodo 102a, o contraeletrodo e um eletrodo de referência que inclui a estrutura de eletrodo 102a posicionada entre o eletrodo de trabalho e o contraeletrodo. Em algumas modalidades, por exemplo, o dispositivo de sensor eletroquímico 100 pode incluir uma variedade dos contingentes de eletrodo 102, por exemplo, tal como uma variedade de eletrodos de trabalho, eletrodos contadores e/ou eletrodos de referência.

[0044] Em alguns aspectos, o dispositivo de biossensor salivar revelado 100 pode ser integrado com uma célula de biocombustível salivar e um circuito elétrico (por exemplo, que inclui aparelhos eletrônicos de processamento e comunicação de dados) no protetor bucal ou em outra plataforma com base em boca, o que gera potência elétrica para entregar para o circuito elétrico e para o dispositivo de biossensor, de forma que o dispositivo integrado possa fornecer um monitoramento autônomo e contínuo de substâncias em uma saliva do usuário. As células de biocombustível são uma classe de dispositivos de célula de combustível que empregam enzimas ou micróbios como um contingente de bioprocessamento para derivar potência a partir de diversas substâncias combustíveis, tais como compostos orgânicos, bioquímicos e/ou biológicos, os quais podem ser encontrados em uma variedade de meios biológicos. As células de biocombustível da presente tecnologia podem fornecer uma fonte de alimentação de energia segura e sustentável para alimentar o biossensor salivar e aparelhos eletrônicos, enquanto aumenta apenas minimamente a área de contato da plataforma do dispositivo geral empregada no protetor bucal ou em outro dispositivo utilizado na boca. As células de biocombustível da presente tecnologia incluem materiais biocompatíveis para converter de modo seguro energia química a partir do ambiente no qual as mesmas são empregadas em energia elétrica suprida para os dispositivos de sensor que monitoram continuamente o mesmo ambiente. As células de biocombustível reveladas podem ser vantajosas sobre baterias ou outras fontes de alimentação posicionáveis em campo, devido ao fato de que as mesmas fornecem uma densidade de energia mais alta (por exemplo, no caso tanto de baterias quanto de fotovoltaicos), tempo de vida operacional mais longo e peso menor (por exemplo, no caso de baterias). Por exemplo, empregando-se os dispositivos de célula de biocombustível relevados para alimentar o sensor salivar e os aparelhos eletrônicos no dispositivo com base na boca, riscos perigosos associados a lavagem ácida química de unidades de bateria são eliminados. A tecnologia revelada inclui dispositivos de célula de biocombustível que têm capacidade para direcionar a transferência de elétron a partir de biocatalisadores selecionados em saliva, em que os dispositivos de célula de biocombustível se integram com os dispositivos de biossensor em uma plataforma com base em boca.

[0045] A Figura 1C mostra um diagrama em blocos de uma modalidade exemplificativa de um dispositivo de célula de biocombustível 120 da presente tecnologia. O dispositivo de célula de biocombustível 120 inclui um eletrodo de ânodo 122 e um eletrodo de cátodo 123 em um substrato (por exemplo, o substrato 101 do dispositivo de sensor eletroquímico 100), em que o eletrodo de ânodo 122 e o eletrodo de cátodo 123 são posicionados adjacentes um ao outro e separados um do outro por uma região de espaçamento. O eletrodo de ânodo 122 inclui uma camada catalisadora 127 que contém um catalisador para uma substância biocombustível (por exemplo, encontrado em saliva), em que a camada catalisadora 127 pode ser configurada para o ânodo 122 em pelo menos um dentre as seguintes configurações: (1) a camada catalisadora 127 é integrada dentro do eletrodo de ânodo 122, isto é, o catalisador é dispersado dentro do material de ânodo do eletrodo de ânodo 122; (2) o catalisador é revestido na superfície do eletrodo de ânodo 122 para formar a camada catalisadora 127, a qual pode ser ancorada eletrostaticamente ou ligada covalentemente à superfície do eletrodo de ânodo 122; e (3) a camada catalisadora 127 é estruturada para incluir um polímero de condução eletropolimerizado formado na superfície do eletrodo de ânodo 122 para aprisionar o catalisador dentro do filme de polímero e/ou a camada catalisadora 127 é estruturada para incluir uma estrutura de molde seletivamente permeável, por exemplo, tal como Nafion ou quitosana, formada na superfície do eletrodo de ânodo 122 para aprisionar o catalisador dentro do molde. O dispositivo de biocombustível 120 inclui interconexões individuais 124 que são eletricamente acopladas aos eletrodos de ânodo e cátodo 122 e 123, respectivamente, para conectar eletricamente os eletrodos anódico e catódico à carga para a qual a energia extraída é suprida, por exemplo, o dispositivo de sensor eletroquímico 100.

[0046] Em operação, o fluido de saliva eletrolítico que contém a substância combustível entra em contato com a superfície da célula de biocombustível 120, de forma que a saliva possa imergir o espaçamento entre o eletrodo de ânodo 122 e o eletrodo de cátodo 123. O catalisador é selecionado para facilitar a conversão de uma substância combustível correspondente (por exemplo, constituinte biocombustível) na saliva em um primeiro produto em um processo oxidativo que libera elétrons capturados no ânodo, extraindo, desse modo, energia a partir da substância combustível, em que o cátodo tem capacidade para reduzir uma substância oxigenada no fluido biológico em um segundo produto em um processo de redução química em que o segundo produto ganha elétrons, em que o dispositivo de célula de biocombustível 120 obtém a energia extraída como energia elétrica. O fluido eletrolítico pode incluir diversos constituintes de biocombustível, por exemplo, tais como glicose, ácido lático, ácido úrico ou outros. Por exemplo, o catalisador contido na camada catalisadora 127 pode incluir LOx, GOx ou uricase, ou outro catalisador (por exemplo, oxidase ou desidrogenase) que corresponde a uma substância biocombustível em saliva. Em algumas modalidades do dispositivo de célula de biocombustível 120, o dispositivo de célula de biocombustível pode incluir um separador de membrana de troca de próton fixado ao substrato 101 empregado na região de espaçamento para inibir a condução de elétrons através do meio eletrolítico.

[0047] A Figura 1D mostra uma ilustração esquemática de um biossensor salivar integrado e um dispositivo de célula de combustível da tecnologia revelada empregado em um protetor bucal que pode ser utilizado em uma boca do usuário. O dispositivo de sensor ou de célula de combustível integrado pode incluir o dispositivo de sensor eletroquímico 100 (por exemplo, tanto em configuração de dois como de três eletrodos) e o dispositivo de célula de biocombustível 120 eletricamente interfaceado com um circuito elétrico 150. O circuito 150 pode incluir elementos de circuito elétrico (por exemplo, elementos de impedância, diodos, transistores, etc.) e/ou componentes eletrônicos (por exemplo, processadores, conversores A/D, transmissor/receptor sem fio, eletrônicos de instrumentação, etc.) para fornecer condicionamento de sinal, processamento de sinal e dados, armazenamento e/ou comunicação. Por exemplo, o circuito 150 pode ser configurado para controlar as técnicas de análise eletroquímicas para detectar o analito salivar ou os analitos de interesse pelo sensor 100, por exemplo, que incluem, mas sem limitação, cronoamperometria, cronopotenciometria, voltametria, voltametria cíclica, técnicas eletroquímicas de varredura linear, polarografia, técnicas de análise eletroquímicas pulsadas, espectroscopia de impedância, etc.

[0048] No exemplo mostrado na Figura 1D, o dispositivo de célula de biocombustível exemplificativo 120 inclui uma variedade intertravada dos eletrodos de ânodo e cátodo 122 e 123 configurados no substrato 101. A variedade de eletrodos de ânodo e cátodo 122 e 123 é conectada aos condutos 124 que se conectam eletricamente ao circuito 150. Em algumas implantações do dispositivo de célula de biocombustível 120, a variedade de célula de biocombustível pode incluir adicionalmente uma subcamada eletricamente condutora, por exemplo, formada de um material eletricamente condutor, tal como prata ou cobre, no substrato 101 e sob a variedade intertravada dos eletrodos de ânodo e cátodo 122 e 123 e condutos 124. Em algumas implantações, o dispositivo de célula de biocombustível 120 pode incluir adicionalmente uma região de reservatório no substrato 101 estruturada para conter o fluido biológico em uma região que cerca a variedade intertravada dos eletrodos de ânodo e cátodo 122 e 123. BIOSSENSORES DE LACTATO EXEMPLIFICATIVOS

[0049] Em uma modalidade, um dispositivo de biossensor com base em protetor bucal não invasivo é descrito para monitoramento salivar contínuo do ácido lático metabólito salivar (ou lactato) com o uso de monitoramento amperométrico. Por exemplo, as concentrações de lactato salivar se correspondem bem com os níveis de lactato de sangue e foram usadas in vitro para monitorar os níveis de aptidão. A saliva pode, portanto, ser adequada como um fluido para monitoramento não invasivo contínuo de níveis de lactato durante atividades esportivas. O sistema biossensorial oral utilizável exemplificativo descrito aqui inclui um transdutor de Azul da Prússia (PB) imprimível e uma camada reagente de poli-ortofenilenodiamina (PPD)/lactato oxidase (LOx). Por exemplo, o transdutor de Azul da Prússia pode atuar como “perioxidase artificial”, o que oferece uma detecção altamente seletiva do produto de peróxido de hidrogênio de reações biocatalíticas de oxidase. O PB pode ser usado para tratamento oral de envenenamento por metais pesados, por exemplo, tais como tálio e césio, e seu uso parece ser muito seguro sob condições fisiológicas, até mesmo após altas doses orais. A poli- ortofenilenodiamina (PPD) é empregada para o aprisionamento eletropolimérico de oxidases, rejeição de interferências potenciais e proteção da superfície do biossensor. O acoplamento da detecção de potencial extremamente baixo do produto de peróxido proporcionada pelo transdutor de PB e a exclusão de constituintes eletroativos de saliva completa leva a alta seletividade e estabilidade. Uma modalidade do dispositivo de sensor de lactato salivar exemplificativo pode incluir o dispositivo de sensor eletroquímico 100 mostrado nas Figuras 1A e 1B.

[0050] O seguinte descreve projetos exemplificativos e caracterizações in vitro do biossensor com base em protetor bucal exemplificativo usado em implantações de monitoramento em boca contínuo de lactato. O biossensor enzimático de protetor bucal exemplificativo, que inclui um eletrodo de enzima imprimível que inclui lactato oxidase imobilizada, pode detectar potenciais baixos do produto de peróxido e exibe alta sensibilidade, seletividade e estabilidade com o uso de amostras de saliva humana inteiras. O dispositivo exemplificativo pode ser usado para apresentar informações em tempo real úteis em relação à saúde do usuário, ao desempenho e ao nível de estresse e, dessa forma, contém uma promessa considerável para diversas aplicações biomédicas e de aptidão. Outras substâncias bioquímicas presentes na saliva também podem ser usadas em outras implantações exemplificativas dos dispositivos de biossensor revelados.

[0051] As implantações exemplificativas do biossensor de lactato de protetor bucal exemplificativo incluíram as seguintes substâncias químicas e reagentes. L-Oxidase de lactato (LOx) (atividade: 101 U/mg) foi obtida. 1,2- Penilenodiamina (o-Pd), ácido L-lático, ácido L-ascórbico (AA), ácido úrico (UA), sulfato de sódio, fosfato de potássio monobásico, fosfato de potássio dibásico e cloreto de sódio foram obtidos e foram usados sem purificação ou modificação adicionais. A água ultrapura (18,2 MQ^cm) foi empregada nas implantações exemplificativas.

[0052] As implantações exemplificativas do biossensor de lactato de protetor bucal exemplificativo incluíram a seguinte instrumentação. Um analisador de CH Instruments modelo 440 foi empregado para as medições eletroquímicas. Os estudos cronoamperométricos foram executados para avaliar a resposta de sensores de protetor bucal. Por exemplo, os potenciais aplicados nas implantações exemplificativas foram contra o eletrodo de referência de Ag/AgCl pseudoimpresso em tela em temperatura ambiente (por exemplo, 22 °C). Uma impressora em tela semiautomática MPM SPM foi usada para imprimir eletrodos. Os padrões de sensor exemplificativos foram projetados com o uso de AutoCAD e estênceis foram padronizados em estênceis de aço inoxidável de espessura 75 μm.

[0053] O dispositivo com base na boca de sensor eletroquímico exemplificativo mostrado nas Figuras 1A e 1B pode ser fabricado com o uso das seguintes técnicas de fabricação e integrado em um protetor bucal. Em um exemplo, os biossensores de protetor bucal foram fabricados imprimindo-se em tela três camadas separadas em um substrato de PET flexível, por exemplo, tereftalato de polietileno. Na primeira camada, uma tinta condutora de Ag/AgCl (por exemplo, 124a 36, grau médico, de Creative Materials Inc., MA EUA) foi impressa primeiro para fornecer o eletrodo de referência assim como os contatos para realizar interface com os três eletrodos para o analisador eletroquímico. Uma segunda camada, por exemplo, aplicada aos eletrodos de trabalho e auxiliar, foi impressa a partir de uma tinta de grafite e Azul da Prússia (por exemplo, C2070424P2, de Gwent Inc., Torfaen, RU). Em algumas implantações, uma terceira camada, que serviu como uma camada isoladora, pode ser impressa sobre o substrato 101 com aberturas na camada isoladora que expõem determinadas regiões dos eletrodos para facilitar a detecção eletroquímica (por exemplo, com o uso de pasta dielétrica DuPont 5036). Por exemplo, a camada isoladora foi usada para revestir os contatos de epóxi de prata e Ag/AgCl expostos. Após cada etapa de impressão, as camadas impressas foram curadas a 80 °C por 20 minutos. Subsequentemente, o sistema de eletrodo impresso foi fixado ao substrato de PET do corpo do protetor bucal na região interior do protetor bucal, conforme mostrado na Figura 1A, com o uso de um adesivo bilateral. Nessa implantação exemplificativa, o analisador eletroquímico foi conectado a fios colocados através de orifícios dentro do corpo do protetor bucal que foram fixados aos contatos de Ag/AgCl por meio de um epóxi de prata.

[0054] A lactato oxidase (LOx) foi imobilizada na superfície de eletrodo de trabalho por aprisionamento eletropolimérico em um filme de poli(o- fenilenodiamina) (PPD). Isso foi realizado, por exemplo, com o uso de uma solução de tampão de fosfato a 0,1 M (pH 7,0) que contém o-Pd a 10 mM, sulfato de sódio a 5 mM e 800 U/ml de LOx, o qual foi purgado com nitrogênio por 20 minutos. O transdutor imprimível de protetor bucal foi imerso na solução de polimerização. Nesse exemplo, um potencial de 0,55 V (em relação a Ag/AgCl) foi subsequentemente aplicado por 1 minuto a fim de render o filme de PPD aprisionado por LOx. Após o processo de eletropolimerização, o sensor exemplificativo foi seco e imerso em uma solução de tampão de fosfato a 0,1 M (pH 7,0) por 20 minutos para remover resíduos monoméricos da superfície do eletrodo assim como qualquer enzima não ligada. A Figura 1B mostra o esquema do transdutor de eletrodo de trabalho modificado exemplificativo na plataforma de protetor bucal para monitoramento de lactato salivar.

[0055] As caracterizações eletroquímicas exemplificativas com o uso do dispositivo de sensor eletroquímico salivar exemplificativo foram desempenhadas em uma matriz de tampão. Por exemplo, o desempenho eletroquímico do sensor de lactato de protetor bucal exemplificativo foi avaliado em uma solução de tampão de fosfato a 0,1 M (pH 7,0) que contém NaCl a 20 mM (PBS) (imitando a concentração de Cl na saliva humana). As medições cronoamperométricas de lactato no dispositivo de biossensor de PB-PPD-LOx exemplificativo foram executadas aumentando-se o potencial para 0,042 V (em relação a Ag/AgCl) por 60 segundos após 2 minutos de incubação na solução de amostra. A corrente foi amostrada após 60 segundos. Nessas implantações, o potencial aplicado foi escolhido com base em voltametria cíclica do transdutor de carvão de PB, em que a redução de peróxido de hidrogênio produziu a corrente máxima. A estabilidade do biossensor foi examinada em lactato a 0,5 mM por intervalos de 10 minutos ao longo de uma operação de 2 horas. O sensor exemplificativo foi mantido em PBS a 0,1 M entre tais medições sucessivas.

[0056] As amostras de saliva humana foram coletadas de voluntários saudáveis em condições de jejum (por exemplo, pelo menos 8 horas) com o uso do "método de baba passiva", por exemplo. As amostras coletadas foram mantidas em temperatura ambiente para permitir que seus sedimentos precipitassem e o sobrenadante foi usado diretamente (sem diluição) para medições eletroquímicas. Devido à alta viscosidade de amostras de saliva inteiras, 50 μl de alíquotas de saliva não diluídas foram misturados com concentrações de lactato diferentes e induzidos por vórtex por um minuto. A concentração de lactato nas amostras de saliva foi determinada por meio do método de adição padrão.

[0057] As medições eletroquímicas de amostras de saliva de pico foram executadas com o uso das mesmas condições usadas na matriz de tampão (por exemplo, EAPP =0,042V por 60 segundos). As medições prolongadas de tais amostras de saliva inteiras foram executadas alterando-se a amostra a cada 10 minutos para imitar o fluxo de saliva na boca reconstituído (não estimulado: 1 ml/min, estimulado: 2 ml/min). O sensor exemplificativo foi mantido na saliva entre tais medições sucessivas.

[0058] Os resultados exemplificativos dessas implantações são descritos. A concentração de lactato da saliva humana varia dependendo do metabolismo de uma pessoa e do desempenho físico, com altas correlações observadas entre sangue (até 17,3 ± 1,9 mM) e níveis de lactato salivares (até 1,6 ± 0,4). Dessa forma, uma faixa de detecção de lactato linear ampla e um tempo de resposta rápido são essenciais para realizar o monitoramento na boca contínuo de lactato na saliva. Para tratar de interferência potenciais em amostras de saliva brutas complexas, por exemplo, a enzima LOx comumente usada foi imobilizada em um transdutor com base em PB imprimível por aprisionamento dentro de um filme PPD. O biossensor de PB-PPD-LOx exemplificativo, montado no protetor bucal, foi avaliado primeiro em meio de tampão de fosfato.

[0059] A faixa de concentração dinâmica foi examinada em resposta a níveis crescentes de lactato ao longo da faixa de lactato 0,1 a 1,0 mM com o uso de um potencial baixo de 0,042 V (em relação a Ag/AgCl). A Figura 2 exibe cronoamperogramas para concentrações crescentes de lactato em incrementos a 0,1 mM em meio de PBS (mostrado por formas de onda 200b a 200k na plotagem de dados). Esses dados exemplificativos que o biossensor de protetor bucal de PB-PPD-LOx exemplificativo exibem uma sensibilidade muito alta para o lactato, com cronoamperogramas bem definidos e sinais de corrente proporcionais à concentração de lactato. A plotagem de calibração resultante (mostrada no elemento interno da Figura 2) exibe alta linearidade (inclinação, 0,553 μA/mM; coeficiente de correlação, 0,994). Observa-se também que havia uma corrente de fundo notavelmente baixa (mostrada pela forma de onda 200a na plotagem de dados) associada ao potencial de operação extremamente baixo. Uma detecção baixa de cerca de 0,050 mM pode, dessa forma, ser estimada a partir das características de sinal para ruído favoráveis da resposta para o lactato a 0,1 mM (por exemplo, forma de onda 200b) (S/N = 3). O sensor de protetor bucal de PB-PPD-LOx exemplificativo pode, dessa forma, detectar o lactato eficazmente ao longo da faixa fisiológica de lactato de saliva. Para as formas de onda de dados exemplificativas retratadas no cronoamperograma da Figura 2, as implantações exemplificativas foram desempenhadas com EAPP = 0,042 V (em relação a Ag/AgCl) e um tempo de amostragem de corrente de 60 segundos.

[0060] Visto que o biossensor de protetor bucal exemplificativo é exposto a meios de saliva bruta complexa em implantações reais, o mesmo deve oferecer uma resposta seletiva na presença de constituintes eletroativos (por exemplo, ácido L-ascórbico, ácido úrico) que normalmente interferem com a detecção amperométrica de lactato. O sistema de camada reagente transdutora de PB-PPD-LOx exemplificativo é projetado para minimizar interferências eletroativas potenciais acoplando-se o potencial de detecção muito baixo, por exemplo, oferecido pela superfície de PB, ao comportamento de permeabilidade seletiva eficaz da camada de PPD. A Figura 3 exibe a resposta cronoamperométrica para 0,5 mM de lactato na presença e na ausência de tais concentrações fisiológicas de ácido ascórbico e ácido úrico. A seletividade do lactato foi avaliada na presença de níveis fisiológicos dos constituintes eletroativos relevantes da saliva humana, por exemplo, ácido úrico a 100 μM (forma de onda 340 na Figura 3) e ácido ascórbico a 20 μM (forma de onda 330 na Figura 3). A seletividade de lactato foi avaliada na ausência de AA e UA (forma de onda 320 na Figura 3). A forma de onda 310 mostra apenas a resposta de PBS. Esses dados exemplificativos indicam claramente que essas interferências potenciais têm um efeito desprezível sobre a resposta de lactato (cerca de 5% tanto para AA quanto para UA) e, dessa forma, que o novo sistema de biossensor de protetor bucal oferece alta seletividade. Na plotagem de dados da Figura 3, os resultados exemplificativos mostram a resposta exemplificativa a lactato a 0,5 mM em PBS a 0,1 e na presença de interferentes fisiológicos eletroativos comuns de AA e UA, sob as condições exemplificativas como na Figura 2.

[0061] A alta estabilidade é outra exigência importante para operação em boca contínua do novo biossensor de lactato de protetor bucal. A Figura 4 mostra uma plotagem de dados de resultados exemplificativos que mostram a estabilidade da resposta eletroquímica do biossensor de protetor bucal exemplificativo a lactato a 0,5 mM. Nessas implantações exemplificativas, a estabilidade foi inicialmente avaliada ao longo de uma operação de duas horas contínua com medições repetitivas de 0,5 mM executadas a cada 10 minutos. O elemento interno mostra o perfil de curso do tempo da corrente relativa, com base na resposta de corrente original (com o resultado inicial em t=0 minuto normalizado a 100%). Para as implantações exemplificativas, o sensor exemplificativo foi mantido em PBS a 0,1 M entre tais medições sucessivas. Esses dados exemplificativos indicam uma resposta de corrente altamente estável ao longo de toda a operação de 2 horas. Outras implantações demonstraram a estabilidade a longo prazo do sensor.

[0062] Após a avaliação do biossensor de protetor bucal em uma matriz de tampão sintético, as implantações exemplificativas foram executadas com o uso de amostras de saliva humana. A resposta do biossensor exemplificativo empregado no protetor bucal para alterar níveis de lactato foi examinada com o uso de saliva humana não estimulada marcada com 0,1 a 0,5 mM de lactato. Conforme indicado a partir dos cronoamperogramas bem definidos da Figura 5, por exemplo, o sensor exemplificativo respondeu de modo favorável a tais alterações no nível de lactato (por exemplo, mostrado pelas formas de onda 500b a 500f). A plotagem de calibração resultante (mostrada no elemento interno) exibiu boa linearidade (inclinação, 0,202 μA/mM; coeficiente de correlação, 0,988). Outras condições exemplificativas foram conforme na Figura 2. O nível de lactato endógeno pode, dessa forma, ser estimado para 0,010 mM, o qual está na faixa normal na saliva humana em repouso, sem estímulo. Os incrementos de corrente pequenos devido às adições de lactato (em relação a aqueles observados nos meios de tampão) podem ser atribuídos à viscosidade das amostras de saliva que leva a uma difusão mais lenta, por exemplo. Nenhuma alteração evidente na sensibilidade ou na faixa linear foi observada ao testar os sensores a 37 oC (por exemplo, temperatura corporal; não mostrado).

[0063] As implantações exemplificativas incluíram avaliações de estabilidade da exposição contínua do sistema biossensorial oral exemplificativo para meios de saliva complexos e degradação potencial da resposta do sensor por proteínas coexistentes. A Figura 6 mostra uma plotagem de dados que mostra a estabilidade de resposta do biossensor de protetor bucal exemplificativo para uma amostra de saliva humana marcada com lactato a 0,5 mM ao longo do tempo. Nas implantações, as medições repetitivas foram executadas em intervalos de 10 minutos ao longo de um período de 2 horas, substituindo a saliva para cada medição para imitar o ambiente oral dinâmico. O elemento interno da Figura 6 mostra a corrente relativa com base na resposta de corrente original (t=0). O sensor exemplificativo foi mantido na saliva entre tais medições sucessivas. Outras condições exemplificativas foram conforme na Figura 2. Apenas variações pequenas do sinal de corrente (por exemplo, na faixa entre 90% e 106% da resposta original) foram observadas, por exemplo, nessa implantação exemplificativa. Tal boa estabilidade reflete a ação protetora do revestimento de PPD contra constituintes de fuligem coexistentes. Sempre que necessário, o sistema de sensor de protetor bucal revelado pode ser prontamente substituído durante operação em boca real para abordar uma degradação adicional da resposta de sensor pela matriz de saliva.

[0064] As implantações exemplificativas de uma modalidade exemplificativa dos dispositivos de biossensor protetor bucal não invasivos (mostrados nas Figuras 1A e 1B) demonstram um monitoramento em boca contínuo de metabólitos salivares. Em uma implantação, as medições amperométricas de lactato foram desempenhadas com o uso da plataforma de biodetecção de PB-PPD-LOx exemplificativa. A tecnologia revelada pode fornecer uma resposta de lactato altamente sensível, seletiva e estável em amostras de saliva, por exemplo, que reflete sua transdução de sinal de potencial baixo e a rejeição de constituintes eletroativos e de proteína coexistentes. Por exemplo, tal desempenho atrativo da plataforma de biodetecção com base em protetor bucal ao detectar lactato em amostras salivares humanas não diluídas destaca o potencial como um dispositivo utilizável prático para monitoramento fisiológico não invasivo contínuo do estado de aptidão de indivíduos.

[0065] Outras substâncias bioquímicas presentes na saliva também podem ser usadas em outras implantações exemplificativas dos dispositivos de biossensor revelados. Em alguns exemplos, a glicose também pode ser eletroquimicamente detectada e utilizada em uma aplicação de célula de biocombustível impressa. BIOSSENSORES DE GLICOSE EXEMPLIFICATIVOS

[0066] A Figura 7 mostra uma ilustração esquemática do dispositivo de sensor eletroquímico salivar exemplificativo 100 empregado em um protetor bucal e uma ilustração explodida de uma configuração de eletrodo exemplificativa 702 do dispositivo de biossensor 100 para monitoramento de glicose salivar. Conforme mostrado na Figura 7, o eletrodo de trabalho e o eletrodo de referência do dispositivo de biossensor exemplificativo 100 são configurados em uma estrutura de eletrodo 702. A estrutura de eletrodo 702 inclui o material eletricamente condutor 106 disposto no substrato 101, em que o material eletricamente condutor 106 é revestido por uma camada transdutora eletroquímica 707 que inclui um catalisador que corresponde à glicose para causar uma reação eletroquímica que é detectável nos eletrodos 102. Por exemplo, em algumas implantações, a substância química inclui um catalisador para catalisar seletivamente um analito correspondente na saliva para causar ou facilitar uma reação que produz um sinal detectável nos eletrodos 102. No exemplo mostrado na Figura 7, a substância química catalítica contida na camada transdutora eletroquímica 707 inclui glicose oxidase (GOx), a qual pode catalisar uma reação redox com glicose (por exemplo, o analito selecionado na saliva a ser detectado) que gera o sinal elétrico nos eletrodos 102.

[0067] A Figura 8 mostra uma plotagem de dados cronoamperográfica de resultados exemplificativos obtidos para aumentar a concentração de glicose em incrementos (mostrados pelas formas de onda 800a a 800i). Nas implantações exemplificativas desempenhadas para obter os dados, a camada transdutora 702 incluiu a enzima GOx imobilizada em um transdutor com base em PBq imprimível por aprisionamento dentro de um filme de PPD. As condições exemplificativas nessas implantações exemplificativas foram semelhantes àquelas associadas à Figura 2. Conforme mostrado pela Figura 8, o sensor de protetor bucal de PB-PPD-GOx exemplificativo pode, dessa forma, detectar a glicose eficazmente sobre a faixa fisiológica de lactato de saliva. SENSORES ELETROQUÍMICOS, CÉLULAS DE BIOCOMBUSTÍVEL E APARELHOS ELETRÔNICOS INTEGRADOS EXEMPLIFICATIVOS

[0068] A Figura 9 mostra um diagrama em blocos do dispositivo de sensor eletroquímico exemplificativo 100, o qual pode ser implantado em um protetor bucal, conforme mostrado nas Figuras 1A e 1B e na Figura 7, por exemplo. O dispositivo de sensor eletroquímico 100 inclui o substrato 101, o qual inclui um material eletricamente isolante e que pode ser configurado em um protetor bucal ajustado à forma ou em outro dispositivo de protetor bucal. No exemplo mostrado na Figura 9, o dispositivo de sensor eletroquímico 100 inclui um eletrodo de trabalho 172 e um segundo eletrodo 173 disposto no substrato 101, em que o eletrodo de trabalho 172 e o segundo eletrodo 173 são separados um do outro por um espaçamento 179. O dispositivo de sensor eletroquímico 100 pode incluir uma camada isoladora ou uma estrutura 176, por exemplo, que pode fornecer uma sustentação estrutural adicional para o dispositivo 100 e proteger a integridade do sinal elétrico de sinais elétricos conduzidos através dos eletrodos e interconexões ou condutos 175. Por exemplo, a configuração de eletrodo dos dispositivos de sensor eletroquímico revelados pode ser projetada com base no tipo de analito-alvo a ser detectado e no tipo de metodologia de detecção, por exemplo, amperometria, voltametria, potenciometria e/ou espectroscopia de impedância eletroquímica, ou outra técnica de análise eletroquímica, a ser empregada. Em alguns exemplos, o dispositivo de sensor eletroquímico 100 pode ser configurado para detectar analitos carregados, por exemplo, com o uso de potenciometria. Em alguns exemplos, o dispositivo de sensor eletroquímico 100 pode ser configurado para detectar analitos auto-oxidantes em um eletrodo de trabalho exposto 172, em que o dispositivo 100 inclui um terceiro eletrodo posicionado entre o eletrodo de trabalho 172 e o segundo eletrodo 173; e o segundo eletrodo 173 e o terceiro eletrodo podem servir como um contraeletrodo e um eletrodo de referência, respectivamente. Em algumas modalidades, por exemplo, o dispositivo de sensor eletroquímico inclui uma variedade de contingentes de eletrodo, por exemplo, tal como uma variedade de eletrodos de trabalho e eletrodos de referência e/ou eletrodos contadores.

[0069] Em alguns exemplos, conforme mostrado no diagrama da Figura 9, o eletrodo de trabalho 172 inclui uma camada de detecção eletroquímica 174 para sustentar uma reação redox para produzir um sinal elétrico detectável que pode ser detectado com o uso, por exemplo, de amperometria e/ou voltametria. A camada de detecção eletroquímica 172 fornece um agente de reação (por exemplo, um catalisador) que pode facilitar uma reação redox com um analito- alvo (por exemplo, tal como uma molécula ou substância em particular) no fluido (por exemplo, saliva) que produz portadores de carga detectados pelo eletrodo de trabalho 172. A camada de detecção eletroquímica 172 pode ser estruturada para incluir um catalisador e um mediador redox eletroativo. Em alguns exemplos, o analito-alvo pode ser oxidado pelo catalisador, liberando elétrons no processo, o que promove aumento para uma corrente elétrica que pode ser medida entre o eletrodo de trabalho 172 e o segundo eletrodo 173. Por exemplo, o mediador redox eletroativo pode facilitar a transferência de elétrons entre o eletrodo de trabalho 172 e o sítio ativo do catalisador. A camada de detecção eletroquímica 174 pode ser configurada para o eletrodo de trabalho 172 por, por exemplo: (i) o catalisador é dispersado dentro do material do eletrodo de trabalho 172; (ii) o catalisador é revestido como uma camada na superfície do eletrodo de trabalho 172, por exemplo, em que o catalisador é ligado covalentemente ou ancorado eletrostaticamente à superfície; ou (iii) o catalisador é aprisionado por um polímero de condução eletropolimerizado formado na superfície do eletrodo de trabalho 172 e/ou por uma estrutura de molde seletivamente permeável, por exemplo, tal como Nafion ou quitosana, formada na superfície do eletrodo de trabalho 172. Em implantações exemplificativas que incluem o mediador redox eletroativo, por exemplo, o mediador redox eletroativo pode ser configurado na camada de detecção eletroquímica 174 em conjunto com o catalisador pela mesma configuração exemplificativa.

[0070] Conforme mostrado no diagrama da Figura 9, o dispositivo de sensor eletroquímico pode ser eletricamente acoplado ao circuito de sensor elétrico 150 aos eletrodos por meio das interconexões elétricas 175. Por exemplo, o circuito de sensor 150 pode ser configurado para aplicar formas de onda de excitação e/ou transduzir os sinais elétricos gerados pelos eletrodos eletroquímicos do dispositivo de sensor eletroquímico 100 mediante excitação. Em alguns exemplos, o circuito de sensor 150 pode incluir uma unidade de condicionamento de sinal e uma unidade de comunicação para transmitir os dados adquiridos para um dispositivo externo, por exemplo, o qual pode incluir um visor ou outra interface para exibir os resultados para o usuário do protetor bucal ou outro usuário, por exemplo, tal como um técnico, treinador ou médico, em tempo real. O circuito de sensor 150 pode ser estruturado para incluir, mas sem limitação, um potenciostato (por exemplo, para realizar medições amperométricas e voltamétricas) ou um galvanostato (por exemplo, para realizar medições potenciométricas). Em algumas modalidades, por exemplo, o dispositivo de sensor eletroquímico 100 pode incluir almofadas de contato eletricamente condutoras acopladas às interconexões 175 para fornecer uma superfície condutora para realizar eletricamente a interface com um circuito externo ou dispositivo para os eletrodos do dispositivo de sensor eletroquímico 100.

[0071] A tecnologia revelada pode ser usada para monitoramento salivar de analito em boca contínuo em uma plataforma integrada, a qual pode incluir miniaturização e integração dos circuitos amperométricos e dos aparelhos eletrônicos para aquisição, processamento e transmissão sem fio de dados, assim como para avaliação crítica de todas as preocupações com toxicidade e biocompatibilidade potenciais. O conceito de biodetecção de protetor bucal amperométrico pode ser prontamente implantado para monitoramento salivar de outros metabólitos clinicamente relevantes e marcadores de estresse, oferecendo, dessa forma, percepções úteis para a saúde do usuário e o desempenho e uma promessa considerável para diversas aplicações biomédicas e de aptidão.

[0072] Por exemplo, a plataforma eletrônica de célula de combustível e sensor integrada pode ser utilizada para monitoramento de desempenho eletroquímico em tempo real. Em algumas modalidades, por exemplo, a plataforma integrada revelada inclui etiquetas de biodetecção utilizáveis avançadas em um protetor bucal com componentes funcionais integrados dentro de um fator forma que é adequado ao corpo humano, por exemplo, incluindo uma estrutura que sustenta elementos funcionais e transmite o item a ser detectado, os próprios sensores, o conjunto de circuitos microeletrônico para processar e transmitir o sinal de sensor, uma fonte de alimentação e cabeamento para interconectar os diversos componentes. Em alguns exemplos, aparelhos eletrônicos distintos e eletrodos microfabricados podem ser usados em tais dispositivos.

[0073] A Figura 10A mostra uma ilustração esquemática e um diagrama de um biossensor integrado exemplificativo, uma célula de biocombustível e uma plataforma de aparelho eletrônico 1000 que tem capacidade para ser empregada em um protetor bucal. A plataforma 1000 inclui uma modalidade exemplificativa do dispositivo de biossensor eletroquímico 100 e uma modalidade exemplificativa do dispositivo de célula de biocombustível 120, os quais são eletricamente interfaceados por um circuito elétrico exemplificativo 150. Em algumas implantações, por exemplo, o circuito elétrico 150 pode incluir um conversor CC/CC que rastreia a potência que vem da célula de biocombustível 150, por exemplo, que é relacionada à concentração de analito subjacente para detecção pelo biossensor 100, para atingir uma operação autoalimentada da plataforma de célula de combustível e sensor integrada 1000. Por exemplo, o dispositivo de biossensor exemplificativo 100 e o dispositivo de célula de biocombustível 120 podem ser integrados no protetor bucal fabricando-se um ou mais biossensores de analito salivar (por exemplo, para detectar glicose, lactato e/ou ácido úrico ou outros) e a célula de biocombustível para extrair energia a partir de uma ou mais substâncias combustíveis químicas salivares, por exemplo, conforme descrito anteriormente. No projeto integrado exemplificativo, os materiais de tinta transdutores e as camadas reagentes bioeletrônicas podem ser otimizados durante tais processos de fabricação. O biossensor integrado, a célula de biocombustível e a plataforma de dispositivo de aparelho eletrônico 1000 exemplificativos podem incluir dispositivos com base em componente distinto e interface, por exemplo, incluindo o projeto de aparelhos eletrônicos para um analisador eletroquímico anatomicamente miniaturizado e as interfaces eletrônicas associadas, o conjunto de circuitos de digitalização e as comunicações. A montagem geral de aparelhos eletrônicos pode ser produzida em um fator forma de protetor bucal.

[0074] A Figura 10B mostra um diagrama em blocos de uma unidade de processamento e comunicação eletrônica exemplificativa 1050 da plataforma integrada 1000. Por exemplo, a unidade de processamento e comunicação 1050 da Figura 10B pode ser incluída no circuito elétrico 150 ou utilizada como o mesmo, por exemplo, tal como mostrado na Figura 10A. Conforme mostrado na Figura 10B, a unidade de processamento e comunicação 1050 inclui conversores de analógico para digital e condicionamento de sinal e conjunto de circuitos de processamento, os quais podem realizar interface com o dispositivo de célula de biocombustível 120 como uma fonte de alimentação para a unidade 1050. A unidade de processamento e comunicação 1050 inclui uma unidade de processamento de dados que tem capacidade para processamento e comunicação de sinal (por exemplo, para dispositivos externos) e conversores CC/CC e/ou conjuntos de circuito de condicionamento de sinal. A unidade de processamento e comunicação de dados 1050 inclui uma unidade transmissora/receptora sem fio para transmitir de modo sem fio dados processados pela unidade de processamento de dados ou condicionados pelos conjuntos de circuito de condicionamento de sinal para um dispositivo externo.

[0075] A unidade de processamento de dados da unidade 1050 pode incluir um processador para processar dados e uma memória em comunicação com o processador para armazenar dados. Por exemplo, o processador pode incluir uma unidade de processamento central (CPU) ou uma unidade de microcontrolador (MCU). Por exemplo, a memória pode incluir e armazenar um código executável por processador, o qual, quando executado pelo processador, configura a unidade de processamento de dados para desempenhar diversas operações, por exemplo, tais como receber informações, comandos e/ou dados, processar informações e dados e transmitir ou fornecer informações/dados para outra entidade ou para um usuário. Em algumas implantações, a unidade de processamento de dados pode ser implantada por um sistema de computador ou uma rede de comunicação acessível por meio da Internet (denominada como "a nuvem") que inclui um ou mais dispositivos de processamento computacional remotos (por exemplo, servidores na nuvem). Para suportar diversas funções da unidade de processamento de dados, a memória pode armazenar informações e dados, tais como instruções, software, valores, imagens e outros dados processados ou mencionados pelo processador. Por exemplo, diversos tipos de dispositivos de Memória de Acesso Aleatório (RAM), dispositivos de Memória Apenas Leitura (ROM), dispositivos de Memória Flash e outros meios de armazenamento adequados podem ser usados para implantar funções de armazenamento da unidade de memória. A unidade de processamento de dados pode incluir uma unidade de entrada/saída (E/S) que pode ser conectada a uma interface externa, uma fonte de armazenamento de dados ou um dispositivo de exibição. Por exemplo, diversos tipos de interfaces com fio ou sem fio compatíveis com padrões de comunicação de dados típicos podem ser usadas na comunicação da unidade de processamento de dados por meio da unidade transmissora/receptora sem fio, por exemplo, incluindo, mas sem limitação, Barramento Serial Universal (USB), IEEE 1394 (FireWire), Bluetooth, IEEE 802.111, Rede de Área Local Sem Fio (WLAN), Rede de Área Pessoal Sem Fio (WPAN), Rede de Área Ampla Sem Fio (WWAN), WiMAX, IEEE 802.16 (Interoperabilidade Mundial para Acesso de Micro-onda (WiMAX)), métodos de comunicação celular 3G/4G/LTE e interfaces paralelas. A E/S da unidade de processamento de dados também pode realizar interface com outras interfaces externas, fontes de armazenamento de dados e/ou dispositivos de exibição visual ou de áudio, etc. para recuperar e transferir dados e informações que podem ser processados pelo processador, armazenados na unidade de memória ou exibidos em uma unidade de saída de um dispositivo externo. Por exemplo, um dispositivo de exibição externo pode ser configurado para estar em comunicação de dados com a unidade de processamento de dados, por exemplo, por meio da E/S, o que pode incluir um dispositivo de exibição visual, um dispositivo de exibição de áudio e/ou um dispositivo sensorial, por exemplo, que pode incluir um telefone inteligente, um computador do tipo tablet e/ou um dispositivo de tecnologia utilizável, dentre outros.

[0076] Em algumas implantações, por exemplo, a unidade de processamento de dados pode incluir um analisador eletroquímico a bordo da unidade de processamento e comunicação 1050. Por exemplo, o analisador eletroquímico pode incluir componentes elétricos ou eletrônicos que têm capacidade para adquirir e processar os dados que vem de um dispositivo de potenciostato ou um dispositivo de galvanostato. Em algumas implantações da unidade de processamento e comunicação 1050, por exemplo, a unidade 1050 pode inclui uma fonte de alimentação interna ou adicional, tal como uma bateria, para alimentar os módulos da unidade 1050.

[0077] Algumas especificações exemplificativas de duas modalidades exemplificativas da plataforma integrada 1000 são fornecidas na Tabela 1. Outras modalidades do biossensor, da célula de biocombustível e da plataforma de dispositivo de aparelho eletrônico 1000 integrados podem ser configuradas para uma ou mais dentre as especificações exemplificativas mostradas na Tabela 1 ou configuradas para outras especificações não mostradas na Tabela 1. TABELA 1

[0078] A plataforma integrada revelada pode ser fabricada com o uso de processos para produzir aditivamente os dispositivos de protetor bucal exemplificativos da tecnologia revelada no formato e configuração exatos para o usuário e a tarefa de biodetecção desejada. Por exemplo, uma plataforma de produção aditiva pode ser aplicável a uma variedade de dispositivos utilizáveis que são fabricados, sob demanda, para um fator forma e uma configuração arbitrários. Por exemplo, uma plataforma de produção geral que tem capacidade para montagem aditiva digital pode abrir a faixa de sistemas utilizáveis. Tal plataforma de produção pode permitir uma transição rápida de projeto para dispositivo para muitos tipos diferentes de sensores, assim como permite personalização. BIOSSENSORES DE ÁCIDO ÚRICO EXEMPLIFICATIVOS

[0079] Em algumas implantações, os biossensores salivares com base em boca utilizáveis revelados podem ser utilizados para detectar o ácido úrico salivar para tratamento de diagnóstico e monitoramento de hiperuricemia. O seguinte descreve projetos exemplificativos e caracterizações in vitro do biossensor com base em protetor bucal exemplificativo usado em implantações de monitoramento em boca contínuo de ácido úrico.

[0080] A Figura 11A mostra uma fotografia de um sensor eletroquímico impresso em tela exemplificativo integrado com um protetor bucal. No exemplo mostrado na Figura 11A, o sensor eletroquímico 100 é produzido como um sensor eletroquímico impresso em tela no substrato 101 que pode ser fixado ou integrado no protetor bucal. Conforme mostrado na Figura 11A, o eletrodo de trabalho e o eletrodo de referência do dispositivo de biossensor 100 são configurados em uma estrutura de eletrodo 1102.

[0081] A Figura 11B mostra uma ilustração esquemática de uma configuração de eletrodo exemplificativa 1102, a qual pode ser utilizada como o eletrodo de trabalho dos eletrodos 102 do dispositivo 100. O exemplo mostrado na Figura 11B pode ser incluído nas modalidades de um biossensor de ácido úrico salivar da tecnologia revelada. A estrutura do eletrodo modificado 1102 pode incluir um eletrodo 1105 que inclui um material eletricamente condutor que é eletroquimicamente inerte, por exemplo, carbono com Azul da Prússia, disposto em um substrato (por exemplo, substrato de PET). O eletrodo modificado 1102 pode incluir uma camada reagente 1107 da enzima imobilizada (por exemplo, uricase misturada com BSA e Glut) no eletrodo 1105. O eletrodo modificado 1102 pode incluir uma camada de aprisionamento 1109 (por exemplo, OPD) para manter a enzima imobilizada para o eletrodo.

[0082] As implantações exemplificativas do biossensor de ácido úrico de protetor bucal exemplificativo incluíram as seguintes substâncias químicas e reagentes. Uricase, 1,2-fenilenodiamina (o-Pd), ácido L-lático, ácido L- ascórbico (AA), ácido úrico (UA), sulfato de sódio, cloreto de sódio, cloreto de cálcio, cloreto de potássio, ácido cítrico, tiocianato de potássio, cloreto de amônio, potássio monobásico, potássio dibásico, albumina de soro bovino (BSA) e solução de glutaraldeído (Glut) foram obtidos e foram usados sem purificação ou modificação adicional. A água ultrapura (18,2 MQ^cm) foi empregada nas implantações exemplificativas.

[0083] As implantações exemplificativas do biossensor de lactato de protetor bucal exemplificativo incluíram a seguinte instrumentação. Uma impressora em tela semiautomática MPM SPM foi usada para imprimir os eletrodos. Os padrões de sensor foram projetados com o uso de AutoCAD e estênceis foram padronizados em estênceis de aço inoxidável de espessura 75 μm. Um analisador eletroquímico de CH Instruments modelo 621A foi empregado para as medições eletroquímicas.

[0084] O dispositivo de sensor eletroquímico salivar com base em protetor bucal exemplificativo mostrado nas Figuras 11A e 11B pode ser fabricado com o uso das técnicas de fabricação descritas anteriormente e integrado em um protetor bucal. Para essa modalidade, por exemplo, o eletrodo de trabalho é quimicamente modificado com uma enzima e uma membrana antibiofuligem. Por exemplo, a enzima uricase é imobilizada da seguinte forma. Primeiro, a uricase (por exemplo, 3,0 mg) pode ser misturada com BSA (por exemplo, 2 mg) e glutaraldeído (por exemplo, 1 μl de solução mãe) em um tampão de fosfato de potássio (por exemplo, 200 μl). A solução misturada (por exemplo, 3 μl da solução misturada) pode ser depositada por gotejamento de solução (drop-casting) no eletrodo de trabalho e seca (por exemplo, por 30 minutos). A seguir, a o-fenilenodiamina (OPD) pode ser eletropolimerizada para rejeitar a biofuligem e o efeito de interferência da saliva. Isso pode ser realizado aplicando-se 0,6 V (em relação a Ag/AgCl) por 5 minutos para uma solução de tampão de fosfato a 0,1 M (pH 7,0) que contém o-Pd a 10 mM, sulfato de sódio a 5 mM, o qual pode ser purgado com nitrogênio (por exemplo, por 20 minutos antes do uso). A representação esquemática da Figura 11B mostra a constituição química do eletrodo de trabalho modificado exemplificativo na plataforma de protetor bucal.

[0085] O desempenho eletroquímico do biossensor de ácido úrico salivar exemplificativo integrado com o protetor bucal foi avaliado em saliva artificial, a qual tem uma concentração de eletrólito semelhante à saliva humana. Por exemplo, o nível de ácido úrico normal é de 250 uM a 350 uM. Para cobrir o nível de ácido úrico do paciente de hiperuricemia, a faixa de concentração dinâmica foi examinada em resposta de corrente sobre ácido úrico a 0 a 1 mM medido em etapas de -0,3 V (em relação a Ag/AgCl). Por exemplo, a saliva artificial foi preparada dissolvendo-se 5 mM de NaCl, 1 mM de CaCl2, 15 mM de KCl, 1 mM de ácido cítrico, 1,1 mM de KSCN, 4 mM de NH4Cl em água destilada. As medições cronoamperométricas de ácido úrico na biossensor de PB-PPD-Uricase exemplificativo foram executadas aumentando-se o potencial para -0,3 V (em relação a Ag/AgCl) por 60 segundos após 1 minuto de incubação na solução de amostra. Nas implantações exemplificativas, o potencial aplicado foi escolhido a partir de voltametria cíclica do biossensor em que a response de ácido úrico mostrou uma resposta de corrente distinguível dentro da faixa fisiológica na saliva. A estabilidade do biossensor foi examinada em ácido úrico a 350 μM em intervalos de 10 minutos ao longo de uma operação de 2 horas. O sensor exemplificativo foi mantido na saliva artificial entre tais medições sucessivas. A seletividade foi avaliada em ácido úrico a 350 μM na saliva artificial na presença de interferentes fisiológicos eletroativos relevantes.

[0086] A Figura 12A mostra uma plotagem de dados cronoamperográficos que retrata a resposta do biossensor exemplificativo obtida para aumentar concentrações de ácido úrico com incrementos a 50 μM até 1 mM (mostrado pelas formas de onda 1200a a 1200u). A curva de calibração resultante é mostrada no elemento interno da Figura 12A. A Figura 12B mostra resultados exemplificativos de um teste de seletividade que retrata a resposta para o ácido úrico a 350 μM na presença de interferente fisiológicos eletroativos comuns. A Figura 12C mostra resultados exemplificativos que retratam a estabilidade de resposta eletroquímica a ácido úrico a 350 μM ao longo de uma operação de 2 horas com intervalos de 10 minutos. O elemento interno da Figura 12C mostra a corrente relativa, com base na resposta de corrente original (t=0s). O sensor exemplificativo foi mantido na saliva artificial entre tais medições sucessivas. As implantações foram desempenhadas com Eapp= -0,3 V (em relação a Ag/AgCl) e um tempo de amostragem de corrente de 60 segundos.

[0087] Os dados exemplificativos indicam que o biossensor de PB-PPD- Uricase exemplificativo é muito sensível a ácido úrico e tem uma faixa linear ampla, com cronoamperogramas bem definidos e resposta de corrente proporcional à concentração de ácido úrico (conforme mostrado na plotagem de calibração de elemento interno da Figura 12A). Por exemplo, visto que uma matriz de saliva tem tantos interferentes, a seletividade deve ser garantida para aplicação real em uma amostra de saliva humana. A seletividade foi avaliada na presença de níveis fisiológicos da espécie eletroativa relevante de saliva humana que inclui glicose, lactato, ácido ascórbico e acetaminofeno. Conforme mostrado na Figura 12B, o biossensor exemplificativo mostrou uma resposta favorável a ácido úrico a 0,35 mM, enquanto a resposta para outra espécie de interferência eletroativa é desprezível. Para algumas implantações, por exemplo, para monitorar continuamente o efeito de tratamento em gota aguda, a estabilidade do biossensor foi examinada por 2 horas com intervalos de 10 minutos em resposta a ácido úrico a 0,35 mM. A Figura 12C exibe uma resposta retida após uma operação de 2 horas, em que a resposta estável é atribuída pela reação de reticulação de BSA e glutaraldeído, assim como pela camada de PPD, o que ajuda a imobilização intacta da enzima mesmo para uma medição de 2 horas.

[0088] As implantações exemplificativas do biossensor de ácido úrico de protetor bucal exemplificativo incluíram medições em saliva humana não diluída. Devido a proteínas, tal como mucina, e à viscosidade da saliva humana não tratada, a medição eletroquímica pode ser bastante desafiadora para rejeitar biofuligem na superfície do eletrodo. As amostras foram coletadas de voluntários saudáveis com o uso da técnica de "baba passiva" para obter medições exemplificativas em saliva humana não diluída. As amostras coletadas foram diretamente usadas para a medição eletroquímica sem qualquer tratamento. A concentração de ácido úrico nas amostras de saliva foi determinada por meio do método de adição padrão aplicando-se as mesmas condições usadas na saliva artificial (por exemplo, EAPP = -0,3 V por 60 segundos). Para medição contínua em uma amostra de saliva real, o sinal foi medido a cada 20 minutos e a amostra foi substituída a cada medição, considerando-se a taxa de fluxo da saliva na boca (por exemplo, não estimulado: 1 ml/min, estimulado: 2 ml/min). Por exemplo, o sensor foi imerso em saliva entre tais operações sucessivas. A resposta cronoamperométrica na saliva humana a ácido úrico é obtida fazendo-se marcação com 0,1 a 0,5 mM de ácido úrico por meio do método de adição padrão.

[0089] A Figura 13A mostra os dados cronoamperométricos que retratam a resposta eletroquímica do biossensor de PB-PPD-Uricase exemplificativo na saliva humana não diluída que marca concentrações diferentes de ácido úrico com incrementos a 0,2 mM (mostradas pelas formas de onda 1300a a 1300f). A curva de calibração resultante é mostrada no elemento interno da Figura 13A. A Figura 13B mostra uma plotagem de dados que retrata a estabilidade da resposta na amostra de saliva humana marcada com ácido úrico a 350 μM. As medições repetitivas foram executadas em intervalos de 20 minutos ao longo de um período de 2 horas. O elemento interno na Figura 13B é a corrente relativa com base na resposta de corrente original (t=0s). O sensor exemplificativo foi mantido em saliva entre tais medições sucessivas e as condições exemplificativas incluíram EAPP = -0,3 V (em relação a Ag/AgCl) e t = 60 segundos.

[0090] Conforme ilustrado na Figura 13A, a resposta do biossensor é favorável a concentrações diferentes de ácido úrico na saliva humana não diluída. Por exemplo, a plotagem de calibração resultante no elemento interno da Figura 13A exibiu boa sensibilidade e linearidade. O nível de ácido úrico salivar foi estimado na faixa normal na saliva humana sem qualquer estímulo. Embora, devido aos interferentes, como proteínas. na saliva, a sensibilidade na saliva real tenha sido levemente diminuída em comparação com a mesma na saliva artificial, ainda assim a resposta de corrente foi bem definida e distinguível para o nível fisiológico de ácido úrico. Além disso, a estabilidade foi avaliada na saliva humana para confirmar antibioflugem de proteínas de saliva, conforme mostrado na Figura 13B, em que os resultados exemplificativos indicaram que o presente biossensor de ácido úrico pode ser expandido para uso de tratamento de monitoramento de gota aguda, por exemplo. Por exemplo, a gota aguda deve indicar um monitoramento em tempo real e um tratamento rápido, os quais podem ser abordados pelo biossensor de PB-PPD- Uricase exemplificativo. Particularmente, o nível de ácido úrico salivar mostra uma resposta mais rápida a medicação do que seu nível no sangue. O biossensor de ácido úrico salivar de protetor bucal exemplificativo mostra uma boa resposta linear e uma resposta estável na saliva humana não diluída e isso implica um uso clínico prático para o paciente de hiperuricemia.

[0091] As implantações exemplificativas do biossensor de PB-PPD- Uricase incluíram monitorar os níveis de ácido úrico salivar de um paciente de hiperuricemia sob tratamento de medicação. O nível de ácido úrico salivar foi comparado pelo biossensor de protetor bucal desenvolvido entre uma pessoa saudável e um paciente de hiperuricemia (já diagnosticado por um médico). Para verificar a flutuação do nível de ácido úrico salivar durante o dia, a saliva foi coletada e medida a partir de cada sujeito (pessoa normal e paciente de hiperuricemia), sem qualquer tratamento para a amostra de saliva, a cada hora por 5 horas. Cada amostra foi medida pelo método de adição padrão para conhecer a quantidade de ácido úrico na amostra de saliva.

[0092] O nível de ácido úrico salivar normal é considerado como estando entre 250 μM e 350 μM e uma pessoa que tem o nível maior que 350 μM pode ser considerada como tendo hiperuricemia. Para verificar o uso prático em clínica, o nível de ácido úrico salivar foi medido e comparado a partir de uma pessoa normal e um paciente que já foi diagnosticado como tendo hiperuricemia por um médico. Quando o paciente de hiperuricemia teve um nível de ácido úrico salivar mais alto que o nível normal, a medicação Allopurinol® foi tomada por 4 dias consecutivos após medicação e o nível de ácido úrico salivar diário foi medido para confirmar o efeito de tratamento da medicação (por exemplo, Alopurinol®). Alopurinol® é uma medicação que inibe uma xantina oxidase, a qual pode tratar hiperuricemia e seus sintomas relacionados, incluindo gota. Para essas implantações exemplificativas, a saliva foi coletada todos os dias, três vezes por dia e o método de adição padrão foi desempenhado.

[0093] A Figura 14A mostra uma plotagem de dados de níveis de ácido úrico salivar obtidos monitorando-se continuamente com o uso do biossensor exemplificativo por 5 horas uma pessoa normal ("•", círculos pretos) e um paciente de hiperuricemia ("■", quadrados vermelhos). A Figura 14B mostra uma plotagem de dados de níveis de ácido úrico salivar do paciente de hiperuricemia monitorados com o uso do biossensor exemplificativo ao longo de 5 dias enquanto sob tratamento para hiperuricemia com Alopurinol®. O resultado exemplificativo é obtido por média de três vezes de medição.

[0094] Conforme mostrado na plotagem de dados da Figura 14A, o valor de ácido úrico salivar estável foi monitorado continuamente com o uso do biossensor de PB-PPD-Uricase exemplificativo. Os resultados exemplificativos indicaram que os níveis de ácido úrico salivar não variam dependendo do momento, independente de ser uma pessoa normal ou um paciente. Além disso, o valor de ácido úrico alto e reproduzível na saliva do paciente demonstrou a viabilidade do sensor de protetor bucal exemplificativo como uma ferramenta de diagnóstico para hiperuricemia.

[0095] A medicação Allopurinol é usada para retornar o nível de ácido úrico para a faixa normal. Observa-se que essa medicação foi usada para controlar os níveis de ácido úrico do paciente de hiperuricemia. Conforme mostrado na Figura 14B, um alto nível de ácido úrico salivar no primeiro dia (isto é, dia 0) foi confirmado e o sujeito começou a tomar a medicação Allopurinol por 4 dias consecutivos. Após tomar 4 dias da medicação, o nível de ácido úrico salivar retornou para um nível normal, o que foi monitorado pelo biossensor de PB-PPD-Uricase exemplificativo.

[0096] Outras substâncias bioquímicas presentes na saliva também podem ser detectadas e utilizadas para extrair energia pelo biossensor com base em boca relevado e pela plataforma de dispositivo de célula de biocombustível. Em um exemplo, o cortisol pode ser eletroquimicamente detectado (por exemplo, em uma faixa de 0,05 μg/dl a 0,5 μg/dl) com o uso do biossensor salivar revelado, a partir do qual os dados podem ser usados para indicar ou determinar marcadores ou transtornos de estresse físico ou fisiológico, por exemplo, tal como Síndrome de Cushing. Em uma modalidade exemplificativa de um biossensor de cortisol salivar, a estrutura de eletrodo modificada 102a do biossensor 100 pode incluir uma camada (por exemplo, camada 107) que inclui anticorpos de cortisol (por exemplo, Cortisol Ag-Ab/AP) aprisionados para o eletrodo 106.

[0097] Em outro exemplo, a alfa-amilase pode ser eletroquimicamente detectada (por exemplo, em uma faixa de 10 U/ml a 250 U/ml) com o uso do biossensor salivar revelado, a partir do qual os dados podem ser usados para indicar ou determinar marcadores ou transtornos de estresse físico ou fisiológico. Em uma modalidade exemplificativa de um biossensor de alfa- amilase salivar, a estrutura de eletrodo modificada 102a do biossensor 100 pode incluir uma camada (por exemplo, camada 107) que inclui glicose oxidase (GOx) com glucosidase (GD) aprisionada para o eletrodo 106.

[0098] Em outro exemplo, o fosfato salivar pode ser eletroquimicamente detectado (por exemplo, em uma faixa micromolar) com o uso do biossensor salivar revelado, a partir do qual os dados podem ser usados para indicar diversas condições, por exemplo, tais como hiperfosfatemia ou ovulação, ou podem ser usados no curso de assistência odontológica. Em uma modalidade exemplificativa de um biossensor de fosfato salivar, a estrutura de eletrodo modificada 102a do biossensor 100 pode incluir uma camada (por exemplo, camada 107) que inclui lactato oxidase (LOx) ou piruvato oxidase (PyOx) aprisionados para o eletrodo 106 (por exemplo, carbono com Azul da Prússia).

[0099] Em outro exemplo, o cádmio pode ser eletroquimicamente detectado (por exemplo, em níveis até 100 μg/L ou maiores) com o uso do biossensor salivar revelado, a partir do qual os dados podem ser usados para diversas aplicações, por exemplo, tal como biomonitoramento de fatores ambientais presente no ambiente de um usuário ou de tabagismo. Em outro exemplo, o fluoreto ou cálcio salivar pode ser eletroquimicamente detectado (por exemplo, em uma faixa de 0,05 ppm a 0,01 ppm ou até em faixas menores que 0,01 ppm) com o uso do biossensor salivar revelado, a partir do qual os dados podem ser usados em assistência odontológica (por exemplo, tal como para identificar a presença de cavidades). Em outro exemplo, os níveis de pH podem ser detectados com o uso do biossensor salivar revelado, a partir do qual os dados podem ser usados para indicar diversas condições relacionadas à saúde oral ou para determinar a presença de marcadores de estresse. EXEMPLOS

[00100] Os exemplos a seguir são ilustrativos de diversas modalidades da presente tecnologia. Outras modalidades exemplificativas da presente tecnologia podem ser apresentadas antes dos exemplos listados a seguir ou após os exemplos listados a seguir.

[00101] Em um exemplo da presente tecnologia (exemplo 1), um dispositivo de sensor eletroquímico para detectar analitos em saliva inclui um substrato que inclui um material eletricamente isolante; um primeiro eletrodo disposto no substrato em um primeiro local, em que o primeiro eletrodo inclui uma superfície que inclui uma substância química que inclui um catalisador ou um reagente que corresponde a um analito em saliva; e um segundo eletrodo disposto no substrato em um segundo local separado do primeiro eletrodo por uma região de espaçamento, em que o primeiro e o segundo eletrodos têm capacidade para sustentar uma reação redox que inclui a substância química e o analito para produzir um sinal elétrico, de forma que, quando o dispositivo estiver presente na boca de um usuário e eletricamente acoplado a um circuito elétrico, o dispositivo seja operável para detectar o analito na saliva do usuário.

[00102] O exemplo 2 inclui o dispositivo como no exemplo 1, em que a superfície do primeiro eletrodo é estruturada para incluir a substância química imobilizada na superfície do primeiro eletrodo por aprisionamento eletropolimérico em um filme de polímero ou um molde seletivamente permeável.

[00103] O exemplo 3 inclui o dispositivo como no exemplo 2, em que o filme de polímero inclui poli(o-fenilenodiamina).

[00104] O exemplo 4 inclui o dispositivo como no exemplo 2, em que o molde seletivamente permeável inclui Nafion ou quitosana.

[00105] O exemplo 5 inclui o dispositivo como no exemplo 1, em que a superfície do primeiro eletrodo é estruturada para incluir a substância química dispersa dentro de um material que forma o primeiro eletrodo.

[00106] O exemplo 6 inclui o dispositivo como no exemplo 1, em que a superfície do primeiro eletrodo é estruturada para incluir uma camada que contém a substância química fixada à superfície eletrostática ou covalentemente.

[00107] O exemplo 7 inclui o dispositivo como no exemplo 1, em que a substância química inclui lactato oxidase (LOx) e o analito para detecção pelo dispositivo inclui lactato.

[00108] O exemplo 8 inclui o dispositivo como no exemplo 1, em que a substância química inclui glicose oxidase (GOx) e o analito para detecção pelo dispositivo inclui glicose.

[00109] O exemplo 9 inclui o dispositivo como no exemplo 1, em que a substância química inclui ácido úrico oxidase (uricase) e o analito para detecção pelo dispositivo inclui ácido úrico.

[00110] O exemplo 10 inclui o dispositivo como no exemplo 1, em que o primeiro eletrodo, o segundo eletrodo ou ambos incluem um material eletricamente condutor que inclui um eletrocatalisador.

[00111] O exemplo 11 inclui o dispositivo como no exemplo 10, em que o primeiro eletrodo, o segundo eletrodo ou ambos incluem um condutor elétrico que inclui Carbono com Azul da Prússia.

[00112] O exemplo 12 inclui o dispositivo como no exemplo 1, em que o substrato está incluído em um protetor bucal conformado para se encaixar dentro da boca do usuário, em que o primeiro e o segundo locais do primeiro e do segundo eletrodos estão posicionados em uma região interior do protetor bucal próxima à língua do usuário.

[00113] O exemplo 13 inclui o dispositivo como no exemplo 1, que inclui adicionalmente um primeiro componente de interface de eletrodo disposto no substrato e eletricamente acoplado ao primeiro eletrodo por meio de um primeiro conduto que é eletricamente condutor; e um segundo componente de interface de eletrodo disposto no substrato e eletricamente acoplado ao segundo eletrodo por meio de um segundo conduto que é eletricamente condutor, em que o primeiro e o segundo componentes de interface de eletrodo são eletricamente acoplados ao circuito elétrico.

[00114] O exemplo 14 inclui o dispositivo como no exemplo 1, em que o primeiro eletrodo é operável como um eletrodo de trabalho e o segundo eletrodo é operável como um contraeletrodo para medições de amperometria, e o dispositivo inclui adicionalmente um eletrodo de referência posicionado entre o eletrodo de trabalho e o contraeletrodo no substrato e que tem uma superfície que inclui a substância química.

[00115] O exemplo 15 inclui o dispositivo como no exemplo 1, que inclui adicionalmente uma célula de biocombustível disposta no substrato para extrair eletroquimicamente energia a partir da saliva para fornecer potência para o dispositivo, em que a célula de biocombustível inclui um ânodo disposto no substrato e inclui um material eletricamente condutor, em que o ânodo inclui um catalisador de célula de combustível para facilitar a conversão de uma substância combustível na saliva para um primeiro produto em um processo oxidativo que libera elétrons capturados no ânodo, extraindo, desse modo, energia a partir da substância combustível, e um cátodo disposto no substrato adjacente ao ânodo e separado do mesmo, em que o cátodo inclui um material que é eletricamente condutor e tem capacidade para reduzir uma substância oxigenada na saliva para um segundo produto em um processo de redução química em que o segundo produto ganha elétrons; e o circuito elétrico eletricamente acoplado entre a célula de biocombustível e o primeiro e o segundo eletrodos, por meio de interconexões elétricas, para obter a energia extraída como energia elétrica a partir da célula de biocombustível e para suprir a energia elétrica para o primeiro e o segundo eletrodos do dispositivo.

[00116] O exemplo 16 inclui o dispositivo como no exemplo 15, em que o catalisador de célula de combustível é encerrado na superfície do ânodo em uma estrutura de molde porosa formada de um polímero de condução.

[00117] O exemplo 17 inclui o dispositivo como no exemplo 17, em que o polímero de condução inclui pelo menos um dentre polianilina, polipirrol, politiofeno, poli(3,4-etilenodioxitiofeno), poli(sulfeto de p-fenileno), polifluoreno, polifenileno, polipireno, poliazuleno, polinaftaleno, poli(acetileno), poli(vinileno de p-fenileno) ou polifenildiamina.

[00118] O exemplo 18 inclui o dispositivo como no exemplo 15, em que o catalisador de célula de combustível é aprisionado em uma membrana seletivamente permeável acoplada à superfície do ânodo.

[00119] O exemplo 19 inclui o dispositivo como no exemplo 18, em que a membrana seletivamente permeável inclui pelo menos um dentre Nafion ou quitosana.

[00120] O exemplo 20 inclui o dispositivo como no exemplo 15, em que o catalisador de célula de combustível é eletrostática ou covalentemente ligado à superfície do ânodo.

[00121] O exemplo 21 inclui o dispositivo como no exemplo 15, em que o ânodo é estruturado para incluir um mediador eletroativo para facilitar a transferência de elétron entre um sítio ativo do catalisador de célula de combustível e a superfície do ânodo.

[00122] O exemplo 22 inclui o dispositivo como no exemplo 15, em que o catalisador de célula de combustível inclui LOx, GOx ou uricase.

[00123] O exemplo 23 inclui o dispositivo como no exemplo 15, em que o cátodo inclui um mediador eletroativo que tem capacidade para reduzir uma substância não oxigenada na saliva para o segundo produto no processo de redução química em que o segundo produto ganha elétrons.

[00124] O exemplo 24 inclui o dispositivo como no exemplo 15, em que o circuito elétrico inclui um circuito de condicionamento de sinal para modificar a energia elétrica extraída pela célula de biocombustível ou para amplificar o sinal elétrico detectado pelo primeiro e pelo segundo eletrodos, ou por ambos.

[00125] O exemplo 25 inclui o dispositivo como no exemplo 15, em que o circuito elétrico inclui uma unidade de processamento de dados que inclui um processador para processar dados com base no sinal elétrico detectado e uma memória para armazenar ou armazenar temporariamente os dados.

[00126] Em um exemplo da presente tecnologia (exemplo 26), um método para detectar um analito em saliva e alimentar um dispositivo a partir da saliva inclui extrair energia elétrica, em eletrodos de anodo e cátodo de uma célula de biocombustível fixada a um dispositivo com base na boca utilizável na boca de um usuário, a partir de uma substância biocombustível presente em saliva, convertendo-se a substância biocombustível para um primeiro produto em um processo oxidativo que libera elétrons capturados no anodo e reduzindo-se uma substância química na saliva para um segundo produto em um processo de redução química, em que o segundo produto ganha elétrons no cátodo; suprir a energia elétrica extraída para eletrodos de um sensor eletroquímico fixado ao dispositivo com base na boca para ativar o sensor eletroquímico; e detectar, nos eletrodos do sensor eletroquímico ativado em contato com a saliva na boca do usuário, um sinal elétrico produzido como um resultado de uma reação redox que envolve um analito na saliva e um agente químico acoplado a um eletrodo do sensor eletroquímico.

[00127] O exemplo 27 inclui o método como no exemplo 26, em que o sinal elétrico é detectado com o uso de amperometria, voltametria ou potenciometria.

[00128] O exemplo 28 inclui o método como no exemplo 26, que inclui adicionalmente processar o sinal elétrico para determinar um parâmetro do analito.

[00129] O exemplo 29 inclui o método como no exemplo 28, em que o parâmetro inclui um nível de concentração do analito.

[00130] O exemplo 30 inclui o método como no exemplo 26, que inclui adicionalmente transmitir de modo sem fio o sinal elétrico detectado para um dispositivo externo.

[00131] Em um exemplo da presente tecnologia (exemplo 31), um dispositivo para detectar um analito na saliva e alimentar um dispositivo a partir da saliva inclui um substrato que inclui um material eletricamente isolante, em que o substrato é estruturado para se fixar a um dispositivo utilizado na boca que pode se encaixar no interior de uma boca de um usuário; um sensor eletroquímico para detectar um analito salivar; uma célula de biocombustível para extrair eletroquimicamente energia a partir da saliva para fornecer potência elétrica para o dispositivo, e um circuito elétrico eletricamente acoplado entre a célula de biocombustível e o sensor eletroquímico por meio de interconexões elétricas para obter a energia extraída como energia elétrica a partir da célula de biocombustível e para suprir a energia elétrica para o sensor eletroquímico. O sensor eletroquímico inclui um primeiro eletrodo disposto no substrato em um primeiro local, em que o primeiro eletrodo inclui uma superfície que inclui uma substância química que inclui um catalisador ou um reagente que corresponde ao analito salivar; e um segundo eletrodo disposto no substrato em um segundo local separado do primeiro eletrodo por um espaçamento, em que o primeiro e o segundo eletrodos são operáveis para sustentar uma reação redox que envolve a substância química e o analito salivar para produzir um sinal elétrico detectável pelo primeiro e pelo segundo eletrodos. A célula de biocombustível inclui um ânodo disposto no substrato e que inclui um material eletricamente condutor, em que o ânodo inclui um catalisador de célula de combustível para facilitar a conversão de uma substância combustível na saliva em um primeiro produto em um processo oxidativo que libera elétrons capturados no ânodo, extraindo, desse modo, energia a partir da substância combustível e um cátodo disposto no substrato adjacente ao ânodo e separado do mesmo, em que o cátodo inclui um material que é eletricamente condutor e que tem a capacidade para reduzir uma substância oxigenada na saliva em um segundo produto em um processo de redução química, em que o segundo produto ganha elétrons. Quando o dispositivo está presente na boca do usuário, o dispositivo é operável para detectar o analito salivar na saliva do usuário.

[00132] O exemplo 32 inclui o dispositivo como no exemplo 31, em que o circuito elétrico inclui um circuito de condicionamento de sinal para modificar a energia elétrica extraída pela célula de biocombustível ou para amplificar o sinal elétrico detectado pelo primeiro e pelo segundo eletrodos, ou por ambos.

[00133] O exemplo 33 inclui o dispositivo como no exemplo 31, em que o circuito elétrico inclui uma unidade de processamento de dados, um processador para processar dados com base no sinal elétrico detectado e uma memória para armazenar ou armazenar temporariamente os dados.

[00134] O exemplo 34 inclui o dispositivo como no exemplo 31, em que o circuito elétrico inclui uma unidade de comunicação sem fio para transmitir de modo sem fio o sinal elétrico detectado para um dispositivo externo.

[00135] O exemplo 35 inclui o dispositivo como no exemplo 31, em que a superfície do primeiro eletrodo é estruturada para incluir a substância química imobilizada na superfície do primeiro eletrodo por aprisionamento eletropolimérico em um filme de polímero ou um molde seletivamente permeável; ou a substância química dispersa dentro de um material que forma o primeiro eletrodo; ou uma camada que contém a substância química fixada à superfície eletrostática ou covalentemente.

[00136] O exemplo 36 inclui o dispositivo como no exemplo 35, em que o filme de polímero inclui poli(o-fenilenodiamina) ou em que o molde seletivamente permeável inclui Nafion ou quitosana.

[00137] O exemplo 37 inclui o dispositivo como no exemplo 31, em que o sensor eletroquímico é configurado por um ou mais dentre os seguintes: a substância química inclui lactato oxidase (LOx) e o analito para detecção pelo sensor eletroquímico inclui lactato; a substância química inclui glicose oxidase (GOx) e o analito para detecção pelo sensor eletroquímico inclui glicose; a substância química inclui ácido úrico oxidase (uricase) e o analito para detecção pelo sensor eletroquímico inclui ácido úrico; a substância química inclui um anticorpo de cortisol e o analito para detecção pelo sensor eletroquímico inclui cortisol; a substância química inclui GOx e glucosidase (GD) e o analito para detecção pelo sensor eletroquímico inclui alfa-amilase; e/ou a substância química inclui LOx ou piruvato oxidase (PyOx) e o analito para detecção pelo sensor eletroquímico inclui fosfato.

[00138] O exemplo 38 inclui o dispositivo como no exemplo 31, em que o substrato está incluído em um protetor bucal conformado para se encaixar dentro da boca do usuário, em que o primeiro e o segundo locais do primeiro e do segundo eletrodos estão posicionados em uma região interior do protetor bucal próxima à língua do usuário.

[00139] O exemplo 39 inclui o dispositivo como no exemplo 31, em que o primeiro eletrodo é operável como um eletrodo de trabalho e o segundo eletrodo é operável como um contraeletrodo para medições de amperometria, e o sensor eletroquímico inclui adicionalmente um eletrodo de referência posicionado entre o eletrodo de trabalho e o contraeletrodo no substrato e que tem uma superfície que inclui a substância química.

[00140] O exemplo 40 inclui o dispositivo como no exemplo 31, em que o catalisador de célula de combustível é encerrado na superfície do ânodo em uma estrutura de molde porosa formada de um polímero de condução; ou o catalisador de célula de combustível é aprisionado em uma membrana seletivamente permeável acoplada à superfície do ânodo; ou o catalisador de célula de combustível é eletrostática ou covalentemente ligado à superfície do ânodo.

[00141] O exemplo 41 inclui o dispositivo como no exemplo 40, em que o polímero de condução inclui pelo menos um dentre polianilina, polipirrol, politiofeno, poli(3,4-etilenodioxitiofeno), poli(sulfeto de p-fenileno), polifluoreno, polifenileno, polipireno, poliazuleno, polinaftaleno, poli(acetileno), poli(vinileno de p-fenileno) ou polifenildiamina.

[00142] O exemplo 42 inclui o dispositivo como no exemplo 40, em que a membrana seletivamente permeável inclui pelo menos um dentre Nafion ou quitosana.

[00143] O exemplo 43 inclui o dispositivo como no exemplo 31, em que o ânodo é estruturado para incluir um mediador eletroativo para facilitar a transferência de elétron entre um sítio ativo do catalisador de célula de combustível e a superfície do ânodo.

[00144] O exemplo 44 inclui o dispositivo como no exemplo 31, em que o catalisador de célula de combustível inclui LOx, GOx ou uricase.

[00145] As implantações da matéria e as operações funcionais descritas neste documento de patente podem ser implantadas em diversos sistemas, conjunto de circuitos eletrônico digital ou em software, firmware ou hardware de computador, incluindo as estruturas reveladas neste relatório descritivo e seus equivalentes estruturais ou em combinações de uma ou mais dentre as mesmas. As implantações da matéria descritas neste relatório descritivo podem ser implantadas como um ou mais produtos de programa de computador, isto é, um ou mais módulos de instruções de programa de computador criptadas em um meio legível por computador tangível e não transitório para execução pelo aparelho de processamento de dados ou para controlar a operação do mesmo. O meio de legível por computador pode ser um dispositivo de armazenamento legível por máquina, um substrato de armazenamento legível por máquina, um dispositivo de memória, uma composição de matéria que afeta um sinal propagado legível por máquina ou uma combinação de um ou mais dentre esses. O termo “aparelho de processamento de dados” abrange todos os aparelhos, dispositivos e máquinas para processar dados, incluindo, a título de exemplo, um processador programável, um computador ou múltiplos processadores ou computadores. O aparelho pode incluir também, em adição ao hardware, um código que cria um ambiente de execução para o programa de computador em questão, por exemplo, um código que constitui um firmware de processador, uma pilha de protocolo, um sistema de gerenciamento de banco de dados, um sistema operacional ou uma combinação de um ou mais dentre os mesmos.

[00146] Um programa de computador (também conhecido como um programa, software, aplicação de software, script ou código) pode ser escrito em qualquer forma de linguagem de programação, incluindo linguagens compiladas ou interpretadas, e o mesmo pode ser instalado de qualquer forma, incluindo como um programa único ou um módulo, um componente, uma sub- rotina, um objeto ou outra unidade adequada para uso em um ambiente de computação. Um programa de computador não corresponde necessariamente a um arquivo em um sistema de arquivos. Um programa pode ser armazenado em uma porção de um arquivo que retém outros programas ou dados (por exemplo, um ou mais scripts armazenados em um documento de linguagem de marcação), em um arquivo único dedicado ao programa em questão ou em múltiplos arquivos coordenados (por exemplo, arquivos que armazenam um ou mais módulos, subprogramas ou porções de código). Um programa de computador pode ser implantado para ser executado em um computador ou em múltiplos computadores que estão localizados em um sítio ou distribuídos em múltiplos sítios e interconectados através de uma rede de comunicação.

[00147] Os processos e fluxos de lógica descritos neste relatório descritivo podem ser desempenhados por um ou mais processadores programáveis que executam um ou mais programas de computador para desempenhar funções operando-se em dados de entrada e gerando-se dados de saída. Os processos e fluxos de lógica também podem ser desempenhados por, e aparelhos também podem ser implementados como, um conjunto de circuitos lógico de propósito especial, por exemplo, um FPGA (gama de portas programável em campo) ou um ASIC (circuito integrado de aplicação específica).

[00148] Os processadores adequados para a execução de um programa de computador incluem, a título de exemplo, tanto microprocessadores de propósito geral quanto de propósito especial, e qualquer um ou mais processadores de qualquer tipo de computador digital. Em geral, um processador irá receber instruções e dados a partir de uma memória apenas leitura ou de uma memória de acesso aleatório, ou ambas. Os elementos essenciais de um computador são um processador para desempenhar instruções e um ou mais dispositivos de memória para armazenar instruções e dados. Em geral, um computador também irá incluir, ou ser operacionalmente acoplado para receber dados a partir de ou transferir dados para, ou ambos, um ou mais dispositivos de armazenamento em massa para armazenar dados, por exemplo, discos magnéticos, discos magneto ópticos ou discos ópticos. Entretanto, um computador não precisa ter tais dispositivos. Meios legíveis por computador adequados para armazenar instruções e dados de programa de computador incluem todas as formas de memória não volátil, meios e dispositivos de memória, incluindo, a título de exemplo, dispositivos de memória semicondutores, por exemplo, EPROM, EEPROM e dispositivos de memória flash. O processador e a memória podem ser suplementados por, ou incorporados em um conjunto de circuitos lógico de propósito especial.

[00149] Embora este documento de patente contenha muitos pormenores, os mesmos não devem ser interpretados como limitações no escopo de qualquer invenção ou do que possa ser reivindicado, mas, em vez disso, como descrições de recursos que podem ser específicos para modalidades em particular de invenções particulares. Determinados recursos que são descritos neste documento de patente no contexto de modalidades separadas também podem ser implantados em combinação em uma única modalidade. Por outro lado, diversos recursos que são descritos no contexto de uma única modalidade também podem ser implantados em múltiplas modalidades separadamente ou em qualquer subcombinação adequada. Além disso, embora os recursos possam ser descritos acima como atuando em determinadas combinações e até mesmo inicialmente reivindicados como tal, um ou mais recursos de uma combinação reivindicada podem, em alguns casos, ser removidos da combinação e a combinação reivindicada pode ser direcionada para uma subcombinação ou variação de uma subcombinação.

[00150] De modo semelhante, embora as operações sejam retratadas nos desenhos em uma ordem em particular, isso não deve ser compreendido como uma exigência que tais operações sejam desempenhadas na ordem em particular mostrada ou em ordem sequencial, ou que todas as operações ilustradas sejam desempenhadas para alcançar resultados desejáveis. Além disso, a separação de diversos componentes de sistema nas modalidades descritas neste documento de patente não deve ser compreendida como uma exigência de tal separação em todas as modalidades.

[00151] Apenas algumas implantações e alguns exemplos são descritos e outras implantações, melhorias e variações podem ser feitas com base no que é descrito e ilustrado neste documento de patente.

Claims

1. Dispositivo de sensor eletroquímico (100) para detectar analitos em saliva caracterizado pelo fato de que compreende: - um substrato (101) que inclui um material eletricamente isolante, em que o substrato (101) é fixado ao um dispositivo utilizável na boca que pode caber dentro da boca de um usuário; - um primeiro eletrodo (172) disposto em um primeiro lado do substrato (101) em um primeiro local, de modo que um primeiro lado do substrato (101) é apresentado em um lado interior do dispositivo utilizável na boca voltado para um interior da boca; - uma camada fixada a uma superfície do primeiro eletrodo (172), em que a camada inclui uma substância química que inclui um catalisador ou um reagente que corresponde a um analito em saliva, em que a camada é disposta sobre e cobrindo completamente um primeiro eletrodo (172) para fazer a interface com a saliva; e- um segundo eletrodo (173) disposto no primeiro lado do substrato (101) em um segundo local separado do primeiro eletrodo (172) por uma região de espaçamento (179), em que o primeiro (172) e o segundo (173) eletrodos têm a capacidade para sustentar uma reação redox que inclui a substância química e o analito para produzir um sinal elétrico, em que, quando o dispositivo (100) está presente na boca de um usuário e acoplado eletricamente a um circuito elétrico (150), o dispositivo (100) é operável para detectar o analito na saliva do usuário.

2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a substância química da camada é imobilizada na superfície do primeiro eletrodo (172) por aprisionamento eletropolimérico em um filme de polímero ou um molde seletivamente permeável.

3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o filme de polímero inclui poli(o-fenilenodiamina).

4. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o molde seletivamente permeável inclui Nafion ou quitosana.

5. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro eletrodo (172) é estruturado para incluir a substância química dispersa dentro de um material que forma o primeiro eletrodo (172).

6. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada que contém a substância química é fixada à superfície eletrostaticamente ou covalentemente.

7. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a substância química inclui lactato oxidase (LOx) e o analito para detecção pelo dispositivo inclui lactato.

8. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a substância química inclui glicose oxidase (GOx) e o analito para detecção pelo dispositivo inclui glicose.

9. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a substância química inclui ácido úrico oxidase (uricase) e o analito para detecção pelo dispositivo inclui ácido úrico.

10. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro eletrodo (172), o segundo eletrodo (173), ou ambos, incluem um material eletricamente condutor que inclui um eletrocatalisador.

11. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o primeiro eletrodo (172), o segundo eletrodo (173), ou ambos, incluem um condutor elétrico que inclui Carbono com Azul da Prússia.

12. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o substrato (101) é incluído em um protetor bucal conformado para se encaixar dentro da boca do usuário, em que o primeiro e o segundo locais do primeiro (172) e do segundo (173) eletrodos estão posicionados em uma região interior do protetor bucal próxima à língua do usuário.

13. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: - um primeiro componente de interface de eletrodo disposto no substrato (101) e acoplado eletricamente ao primeiro eletrodo (172) por meio de um primeiro conduto que é eletricamente condutor; e - um segundo componente de interface de eletrodo disposto no substrato (101) e acoplado eletricamente ao segundo eletrodo (173) por meio de um segundo conduto que é eletricamente condutor, - em que o primeiro e o segundo componentes de interface de eletrodo são eletricamente acoplados ao circuito elétrico.

14. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro eletrodo (172) é operável como um eletrodo de trabalho e o segundo eletrodo (173) é operável como um contraeletrodo para medições de amperometria e o dispositivo compreende adicionalmente: - um eletrodo de referência posicionado entre o eletrodo de trabalho e o contraeletrodo no substrato (101) e que tem uma superfície que inclui a substância química.

15. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: - uma célula de biocombustível (120) disposta no substrato (101) para extrair eletroquimicamente energia da saliva para fornecer potência para o dispositivo, em que a célula de biocombustível compreende: - um ânodo (122) disposto no substrato (101) e que inclui um material eletricamente condutor, em que o ânodo (122) inclui um catalisador de célula de combustível para facilitar a conversão de uma substância combustível na saliva em um primeiro produto em um processo oxidativo que libera elétrons capturados no ânodo (122), extraindo, desse modo, energia a partir da substância combustível e - um cátodo (123) disposto no substrato adjacente ao ânodo (122) e separado do mesmo, em que o cátodo (123) inclui um material que é eletricamente condutor e que tem capacidade para reduzir uma substância oxigenada na saliva em um segundo produto em um processo de redução química, em que o segundo produto ganha elétrons; e - o circuito elétrico (150) acoplado eletricamente entre a célula de biocombustível e o primeiro (172) e o segundo (173) eletrodos, por meio de interconexões elétricas, para obter a energia extraída como energia elétrica a partir da célula de biocombustível e para suprir a energia elétrica para o primeiro (172) e o segundo (173) eletrodos do dispositivo.

16. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o catalisador de célula de combustível é encerrado na superfície do ânodo (122) em uma estrutura de molde porosa formada de um polímero de condução.

17. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o polímero de condução inclui pelo menos um dentre polianilina, polipirrol, politiofeno, poli(3,4-etilenodioxitiofeno), poli(sulfeto de p-fenileno), polifluoreno, polifenileno, polipireno, poliazuleno, polinaftaleno, poli(acetileno), poli(vinileno de p-fenileno) ou polifenildiamina.

18. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o catalisador de célula de combustível é encerrado em uma membrana seletivamente permeável acoplada à superfície do ânodo (122).

19. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que a membrana seletivamente permeável inclui pelo menos um dentre Nafion ou quitosana.

20. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o catalisador de célula de combustível é eletrostático ou covalentemente ligado à superfície do ânodo (122).

21. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o ânodo (122) é estruturado para incluir um mediador eletroativo para facilitar a transferência de elétron entre um sítio ativo do catalisador de célula de combustível e a superfície do ânodo (122).

22. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o catalisador de célula de combustível inclui LOx, GOx ou uricase.

23. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o cátodo (123) inclui um mediador eletroativo que tem capacidade para reduzir uma substância não oxigenada na saliva para o segundo produto no processo de redução química, em que o segundo produto ganha elétrons.

24. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o circuito elétrico inclui um circuito de condicionamento de sinal para modificar a energia elétrica extraída pela célula de biocombustível ou para amplificar o sinal elétrico detectado pelo primeiro (172) e o segundo (173) eletrodos, ou ambos.

25. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o circuito elétrico inclui uma unidade de processamento de dados que inclui um processador para processar dados com base no sinal elétrico detectado e uma memória para armazenar ou armazenar temporariamente os dados.

26. Método para detectar um analito em saliva e alimentar um dispositivo a partir da saliva caracterizado pelo fato de que compreende: - extrair energia elétrica, em eletrodos de ânodo (122) e cátodo (123) de uma célula de biocombustível (120) fixada a um dispositivo com base na boca utilizável na boca de um usuário, a partir de uma substância biocombustível presente na saliva convertendo-se a substância biocombustível em um primeiro produto em um processo oxidativo que libera elétrons capturados no ânodo (122) e reduzindo-se uma substância química na saliva em um segundo produto em um processo de redução química, em que o segundo produto ganha elétrons no cátodo (123); - suprir a energia elétrica extraída para eletrodos de um sensor eletroquímico fixado ao dispositivo com base na boca para ativar o sensor eletroquímico; e - detectar, nos eletrodos do sensor eletroquímico ativado em contato com saliva na boca do usuário, um sinal elétrico produzido como um resultado de uma reação redox que envolve um analito na saliva e um agente químico acoplado a um eletrodo do sensor eletroquímico, em que o dispositivo com base na boca inclui um substrato (101) incluindo um material eletricamente isolante, em que o substrato (101) é fixado a um dispositivo usado na boca que pode caber dentro da boca de um usuário; um primeiro eletrodo (172) disposto em um primeiro lado do substrato (101) em um primeiro local, de modo que o primeiro lado do substrato (101) seja apresentado em um lado interno do dispositivo usado na boca voltado para o interior da boca; uma camada fixada a uma superfície do primeiro eletrodo (172), em que a camada inclui uma substância química incluindo um catalisador ou um reagente correspondente a um analito na saliva, em que a camada é disposta sobre e cobrindo completamente o primeiro eletrodo (172) para fazer a interface com a saliva; e um segundo eletrodo (173) disposto no primeiro lado do substrato (101) em um segundo local separado do primeiro eletrodo (172) por uma região de espaçamento (179), o primeiro (172) e o segundo (173) eletrodos capazes de sustentar uma reação redox incluindo a substância química e analito para produzir um sinal elétrico.

27. Método, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o sinal elétrico é detectado com o uso de amperometria, voltametria ou potenciometria.

28. Método, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: - processar o sinal elétrico para determinar um parâmetro do analito.

29. Método, de acordo com a reivindicação 28, caracterizado pelo fato de que o parâmetro inclui um nível de concentração do analito.

30. Método, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: - transmitir, de modo sem fio, o sinal elétrico detectado para um dispositivo externo.

31. Dispositivo para detectar um analito em saliva e alimentar um dispositivo a partir da saliva caracterizado pelo fato de que compreende: - um sensor eletroquímico para detectar um analito salivar, conforme definido na reivindicação 1 - uma célula de biocombustível para extrair eletroquimicamente energia a partir da saliva para fornecer potência elétrica para o dispositivo, em que a célula de biocombustível compreende: - um ânodo (122) disposto no substrato (101) e que inclui um material eletricamente condutor, em que o ânodo (122) inclui um catalisador de célula de combustível para facilitar a conversão de uma substância combustível na saliva em um primeiro produto em um processo oxidativo que libera elétrons capturados no ânodo (122), extraindo, desse modo, energia a partir da substância combustível e - um cátodo (123) disposto no substrato adjacente ao ânodo (122) e separado do mesmo, em que o cátodo (123) inclui um material que é eletricamente condutor e que tem capacidade para reduzir uma substância oxigenada na saliva em um segundo produto em um processo de redução química, em que o segundo produto ganha elétrons; e - um circuito elétrico acoplado eletricamente entre a célula de biocombustível e o sensor eletroquímico por meio de interconexões elétricas para obter a energia extraída como energia elétrica a partir da célula de biocombustível e para suprir a energia elétrica para o sensor eletroquímico, em que, quando o dispositivo está presente na boca do usuário, o dispositivo é operável para detectar o analito salivar na saliva do usuário.

32. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo fato de que o circuito elétrico inclui um circuito de condicionamento de sinal para modificar a energia elétrica extraída pela célula de biocombustível ou para amplificar o sinal elétrico detectado pelo primeiro (172) e o segundo (173) eletrodos, ou ambos.

33. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo fato de que o circuito elétrico inclui uma unidade de processamento de dados, um processador para processar os dados com base no sinal elétrico detectado e uma memória para armazenar ou armazenar temporariamente os dados.

34. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo fato de que o circuito elétrico inclui uma unidade de comunicação sem fio para transmitir de modo sem fio o sinal elétrico detectado para um dispositivo externo.

35. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo fato de que: - a substância química é imobilizada na superfície do primeiro eletrodo (172) por aprisionamento eletropolimérico em um filme de polímero ou um molde seletivamente permeável; ou - a substância química é dispersa dentro de um material que forma o primeiro eletrodo (172); ou - a camada que contém a substância química é fixada à superfície eletrostática ou covalentemente.

36. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 35, caracterizado pelo fato de que o filme de polímero inclui poli(o-fenilenodiamina) ou em que o molde seletivamente permeável inclui Nafion ou quitosana.

37. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo fato de que - a substância química inclui lactato oxidase (LOx) e o analito para detecção pelo sensor eletroquímico inclui lactato; ou - a substância química inclui glicose oxidase (GOx) e o analito para detecção pelo sensor eletroquímico inclui glicose; ou - a substância química inclui ácido úrico oxidase (uricase) e o analito para detecção pelo sensor eletroquímico inclui ácido úrico; ou - a substância química inclui um anticorpo de cortisol e o analito para detecção pelo sensor eletroquímico inclui cortisol; ou - a substância química inclui GOx e glucosidase (GD) e o analito para detecção pelo sensor eletroquímico inclui alfa-amilase; ou - a substância química inclui LOx ou piruvato oxidase (PyOx) e o analito para detecção pelo sensor eletroquímico inclui fosfato.

38. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo fato de que o substrato (101) é incluído em um protetor bucal conformado para se encaixar dentro da boca do usuário, em que o primeiro e o segundo locais do primeiro (172) e do segundo (173) eletrodos estão posicionados em uma região interior do protetor bucal próximo à língua do usuário.

39. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo fato de que o primeiro eletrodo (172) é operável como um eletrodo de trabalho e o segundo eletrodo (173) é operável como um contraeletrodo para medições de amperometria e o sensor eletroquímico compreende adicionalmente: - um eletrodo de referência posicionado entre o eletrodo de trabalho e o contraeletrodo no substrato (101) e que tem uma superfície que inclui a substância química.

40. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo fato de que o catalisador de célula de combustível é encerrado na superfície do ânodo (122) em uma estrutura de molde porosa formada de um polímero de condução; ou - o catalisador de célula de combustível está aprisionado em uma membrana seletivamente permeável acoplada à superfície do ânodo (122); ou - o catalisador de célula de combustível é eletrostática ou covalentemente ligado à superfície do ânodo (122).

41. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 40, caracterizado pelo fato de que o polímero de condução inclui pelo menos um dentre polianilina, polipirrol, politiofeno, poli(3,4-etilenodioxitiofeno), poli(sulfeto de p-fenileno), polifluoreno, polifenileno, polipireno, poliazuleno, polinaftaleno, poli(acetileno), poli(vinileno de p-fenileno) ou polifenildiamina.

42. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 40, caracterizado pelo fato de que a membrana seletivamente permeável inclui pelo menos um dentre Nafion ou quitosana.

43. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo fato de que o ânodo (122) é estruturado para incluir um mediador eletroativo para facilitar a transferência de elétron entre um sítio ativo do catalisador de célula de combustível e a superfície do ânodo (122).

44. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo fato de que o catalisador de célula de combustível inclui LOx, GOx ou uricase.