Tecno

Un cerotto epidermico per il monitoraggio simultaneo di biomarcatori emodinamici e metabolici

Il monitoraggio degli effetti delle attività quotidiane sulle risposte fisiologiche del corpo richiede dispositivi indossabili in grado di monitorare contemporaneamente i parametri metabolici ed emodinamici. I ricercatori del Dipartimento di Nanoingegneria, Università della California, San Diego, La Jolla, CA, USA descrivono un dispositivo indossato sulla pelle non invasivo per il monitoraggio simultaneo della pressione sanguigna e della frequenza cardiaca tramite trasduttori ultrasonici e di più biomarcatori tramite sensori elettrochimici. Gli scienziati hanno ottimizzato il dispositivo integrato in modo che fornisca resilienza meccanica e flessibilità conformandosi alle superfici cutanee curve e per garantire un rilevamento affidabile del glucosio nel fluido interstiziale e del lattato, caffeina e alcol nel sudore, senza diafonia tra i singoli sensori.

La ricerca è stata pubblicata il 15 febbraio 2021 su Nature Biomedical Engineering.

Pubblicità e progresso

In volontari umani, il dispositivo ha catturato gli effetti fisiologici dell’assunzione di cibo e dell’esercizio fisico, in particolare la produzione di glucosio dopo la digestione del cibo, il consumo di glucosio tramite glicolisi e l’aumento della pressione sanguigna e della frequenza cardiaca che compensano l’esaurimento dell’ossigeno e la generazione di lattato. Il rilevamento acustico ed elettrochimico continuo e simultaneo tramite dispositivi indossabili integrati dovrebbe arricchire la comprensione della risposta del corpo alle attività quotidiane e potrebbe facilitare la previsione precoce di cambiamenti fisiologici anormali.

Intrecciati con i concetti di telemedicina, Internet delle cose terapeutiche e medicina di precisione, i sensori indossabili offrono funzionalità per monitorare attivamente e da remoto i parametri fisiologici. I sensori indossabili possono generare dati continuamente senza causare alcun disagio o interruzioni dell’attività quotidiana, migliorando così la compliance all’autocontrollo di chi lo indossa e migliorando la qualità dell’assistenza al paziente. Monitoraggio di singoli parametri fisici, come l’elettrocardiogramma e la pressione sanguigna (PA), così come parametri biochimici, quale la glicemia nei diabetici, utilizzando sensori indossabili non invasivi. È stata dimostrata l’importanza di integrare più sensori su un singolo dispositivo, dove più sensori chimici sono stati integrati in un unico cinturino da polso. A seguito di questo lavoro pionieristico, l’integrazione dei sensori si sta ora spostando verso la combinazione di diverse modalità di sensori. I recenti sforzi hanno portato all’integrazione di sensori fisici e chimici in un unico dispositivo indossabile, come la combinazione di elettrodi per elettrocardiografia con lattato o glucosio, sensori per monitorare le prestazioni cardiovascolari, il metabolismo, l’equilibrio elettrolitico o la temperatura corporea di un atleta. Tuttavia, al meglio delle nostre conoscenze, lo studio approfondito della correlazione dei parametri cardiovascolari, in particolare della PA, con i livelli di biomarcatori utilizzando un sensore indossabile ibrido integrato rimane inesplorato.

La frequenza cardiaca (FC) e la PA, due dei segni vitali più importanti, possono riflettere dinamicamente e direttamente lo stato fisiologico del corpo. Questi parametri cardiovascolari possono essere influenzati da fluttuazioni di varie concentrazioni di biomarcatori originate da attività come il movimento, lo stress o l’assunzione di cibo, bevande e farmaci che possono portare ad alterazioni improvvise e talvolta letali. BP parallela: il rilevamento chimico potrebbe quindi avere un valore clinico, specialmente per le persone con condizioni di salute sottostanti, come gli anziani o le persone obese o le persone affette da diabete, trattate con insulina e malattie cardiovascolari, come risposta fisiologica alle normali attività quotidiane potrebbe differire da individui sani. Inoltre, la prevenzione, la diagnosi e il trattamento di molte malattie possono trarre grandi vantaggi dal monitoraggio simultaneo dei parametri cardiovascolari e dei livelli dei biomarcatori. Questi includono shock settico acuto e mortale, che comunemente comporta un improvviso calo della pressione arteriosa accompagnato da un rapido aumento dei livelli di lattato nel sangue20 e ipotensione o ipertensione indotta da ipoglicemia o iperglicemia, che aumentano il rischio di ictus, malattie cardiache, retinopatia e nefropatia nei pazienti con diabete. Il tracciamento dei metaboliti e dei parametri emodinamici utilizzando lo stesso dispositivo può aumentare la compliance all’autocontrollo di un paziente, poiché semplifica il complesso processo di utilizzo di più dispositivi per misurare questi parametri, prevenendo così circostanzialmente eventi cardiaci pericolosi e salvando vite. La combinazione di modalità di rilevamento transdisciplinari in un singolo dispositivo indossabile conforme alla pelle miniaturizzato può produrre ulteriori vantaggi. Ad esempio, i neonati in condizioni critiche e prematuri necessitano di un monitoraggio continuo di varie condizioni pericolose, che vanno dall’ipoglicemia e infezioni simili alla sepsi alla chirurgia a cuore aperto, dove la pressione arteriosa e il livello di lattato o glucosio devono essere monitorati continuamente. I sistemi di monitoraggio neonatali attualmente disponibili richiedono l’applicazione di sensori multipli, spesso invasivi, accoppiati a strumenti ingombranti sui loro piccoli corpi che pongono gravi rischi di lesioni e barriere al legame genitore-bambino. Integrando diverse modalità di rilevamento su un singolo cerotto simile a un tatuaggio, flessibile e indossato sulla pelle, i pazienti vulnerabili, dai neonati agli anziani, possono sfruttare il loro dispositivo di monitoraggio con il minimo disagio o invadenza. La recente epidemia globale ha evidenziato la necessità urgente di dispositivi di autocontrollo remoti, con particolare attenzione alla gestione di BP alta e diabete, che sono i principali fattori di morte dei pazienti con malattia coronavirus 2019. Un sistema completo di automonitoraggio cardiovascolare / biomarcatore aumenterebbe l’autoconsapevolezza degli utenti riguardo alle loro condizioni di salute e avviserebbe sia loro che i loro caregiver del verificarsi di cambiamenti fisiologici anormali.

I ricercatori hanno sviluppato un prototipo di dispositivo indossato sulla pelle conforme in grado di monitorare in parallelo PA, FC e più biomarcatori. Ciò è stato realizzato affrontando le principali sfide ingegneristiche nell’integrazione di trasduttori a ultrasuoni rigidi e sensori elettrochimici morbidi ed estensibili in un unico dispositivo flessibile ed estensibile, garantendo prestazioni meccaniche ed evitando la diafonia del segnale. Il processo di saldatura a solvente basato su SEBS ha sostanzialmente semplificato l’assemblaggio di un sensore con strutture complesse, garantendo al contempo un comportamento meccanico affidabile e registrazioni continue del segnale di BP e biomarcatore epidermico sotto diversi stimoli e attività chimiche e fisiche. La diafonia del segnale tra i trasduttori acustici ed elettrochimici è stata prevenuta separando spazialmente entrambi i componenti e utilizzando strati di idrogel di rilevamento a stato solido.

Tale rilevamento acustico ed elettrochimico offre un monitoraggio continuo dello stato fisiologico dell’utente e della sua risposta a molteplici attività e stimoli quotidiani. Questa tecnologia indossabile multimodale si è quindi dimostrata utile per correlare le attività quotidiane comuni, come esercizio fisico, bere e mangiare, con i cambiamenti nei livelli di pressione sanguigna, FC e biomarcatori. Questi risultati incoraggianti supportano la possibilità di sviluppare sensori indossabili ibridi con una complessa integrazione di sensori chimici e fisici su un singolo cerotto indossabile conforme per il monitoraggio simultaneo di più parametri rilevanti. Tale integrazione di sensori epidermici affidabili e completi può essere realizzata solo con un’attenta selezione dei materiali, un’ingegneria strutturale ottimizzata e un processo di fabbricazione ad alta produttività in mente. Sebbene il dispositivo integrato mostri caratteristiche interessanti, ci sono ancora opportunità per i seguenti miglioramenti alle misurazioni di PA, FC e metaboliti. (i) Il cerotto integrato si basa sulla stimolazione della pilocarpina IP del sudore, che ne limita l’uso operativo a causa dell’esaurimento della pilocarpina. I farmaci stimolanti il ??sudore a lungo termine (ad esempio, il carbacolo) potrebbero essere utilizzati per estendere il periodo di funzionamento ed eseguire misurazioni multiple utilizzando una singola fase di stimolazione del sudore. (ii) Test di design di patch multiplex per consentire un monitoraggio completo di più analiti (Fig. che ne limita l’utilizzo operativo a causa dell’esaurimento della pilocarpina. I farmaci stimolanti il ??sudore a lungo termine (ad esempio, il carbacolo) potrebbero essere utilizzati per estendere il periodo di funzionamento ed eseguire misurazioni multiple utilizzando una singola fase di stimolazione del sudore. (ii) Test di design di patch multiplex per consentire un monitoraggio completo di più analiti (Fig. che ne limita l’utilizzo operativo a causa dell’esaurimento della pilocarpina. I farmaci stimolanti il ??sudore a lungo termine (ad esempio, il carbacolo) potrebbero essere utilizzati per estendere il periodo di funzionamento ed eseguire misurazioni multiple utilizzando una singola fase di stimolazione del sudore. (ii) Test di progetti di patch multiplex per consentire un monitoraggio completo di più analiti. (iii) Incorporazione di un’interfaccia di rilevamento della velocità di traspirazione per normalizzare le letture dei marker ISF o l’uso di farmaci soppressori del sudore insieme a uno standard interno (sodio) per affrontare la potenziale diluizione ISF mediante sudorazione passiva. (iv) Conduzione di ampie convalide che coinvolgono un gran numero di individui con varie condizioni di salute, inclusi pazienti con diabete e malattie cardiovascolari. (v) Miniaturizzazione completa del dispositivo attraverso lo sviluppo di elettronica con ultrasuoni integrati e capacità multi-potenziostatiche, insieme a funzionalità di elaborazione del segnale e trasmissione wireless. Esempi precedenti hanno mostrato il successo della miniaturizzazione di dispositivi indossabili dotati di modalità di rilevamento multiplex, comunicazioni wireless e display.

Lo sviluppo futuro di un circuito di interfaccia di rilevamento acustico autonomo, insieme all’elaborazione del segnale assistita dall’intelligenza artificiale, trasformerà completamente il presente dispositivo in un sistema di rilevamento completo sulla pelle. Affrontando queste opportunità e aggiungendo più parametri di rilevamento, immaginiamo un dispositivo di monitoraggio della salute indossabile multiplex completamente integrato che offre approfondimenti sulla salute e lo stato fisiologico degli individui nella prevenzione e gestione delle malattie croniche.

Questo dispositivo rappresenta un primo passo verso sensori indossabili multimodali che fondono sensori acustici ed elettrochimici per un monitoraggio più completo della fisiologia umana e verso la trasformazione della telemedicina.

Qui gli scenziati presentano un sensore indossabile conforme, estensibile e integrato in grado di monitorare la pressione sanguigna, la frequenza cardiaca ei livelli di glucosio, lattato, caffeina e alcol verso un auto-monitoraggio dinamico e completo della salute. Utilizzando trasduttori a ultrasuoni per monitorare la PA e la FC e sensori elettrochimici per misurare i livelli dei biomarcatori. Attraverso la selezione strategica dei materiali, la progettazione del layout e l’ingegneria di fabbricazione, abbiamo integrato componenti di sensori rigidi e morbidi, ovvero trasduttori a ultrasuoni piezoelettrici di piombo zirconato titanato (PZT) personalizzati e compositi polimerici stampati tramite un innovativo processo di saldatura a solvente in un unico sensore conforme indossabile con elevata resilienza e assenza di diafonia del sensore. Tale progettazione razionale supera le sfide ingegneristiche legate all’integrazione di diverse modalità e materiali di rilevamento per consentire il monitoraggio in tempo reale dei parametri cardiovascolari e dei livelli di biomarcatori in connessione al campionamento parallelo del fluido interstiziale (ISF) e dei biofluidi del sudore. Il dispositivo ibrido epidermico risultante può emettere impulsi ultrasonici e rilevare echi dalle arterie mentre stimola il sudore ed estrae ISF attraverso la ionoforesi (IP), consentendo così misurazioni parallele di PA e FC insieme a più biomarcatori in questi biofluidi.

Per farlo hanno effettuato prove sul corpo su diversi volontari umani sottoposti a varie attività e stimoli (esercizio fisico e assunzione di alcol, cibo e caffeina. consentendo così misurazioni parallele di PA e HR insieme a più biomarcatori in questi biofluidi. Le correlazioni tra variazioni metaboliche e attività emodinamiche sotto questi stimoli sono state monitorate e valutate. Il processo di assemblaggio del sensore migliorato, sfruttando i materiali estensibili a base di copolimero a blocchi stirene-etilene-butilene-stirene (SEBS), ha consentito una fabbricazione rapida e affidabile del sensore epidermico estensibile e conforme per il rilevamento acustico ed elettrochimico. Tale dispositivo offre un monitoraggio completo dell’effetto delle attività e degli stimoli quotidiani sullo stato fisiologico dell’utente e consente la raccolta di dati precedentemente non disponibili per comprendere la risposta del corpo a tali stimoli, affrontando al contempo le esigenze critiche post-pandemiche per il paziente seguito mediante monitoraggio da remoto telemetrico.