Immagina di poter misurare i livelli di zucchero nel sangue, sapere se hai bevuto troppo e monitorare l’affaticamento muscolare durante un allenamento, tutto in un piccolo dispositivo indossato sulla pelle. Gli ingegneri dell’Università della California di San Diego hanno sviluppato un prototipo di tale dispositivo indossabile in grado di monitorare continuamente diverse statistiche sulla salute – livelli di glucosio, alcol e lattato – contemporaneamente in tempo reale.
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Il dispositivo può essere indossato sulla parte superiore del braccio e invia i dati in modalità wireless a un’app per smartphone personalizzata.
Credito: Laboratorio di Nanobioelettronica / UC San Diego
Il dispositivo ha le dimensioni di una pila di sei quarti. Viene applicato sulla pelle attraverso una toppa in velcro di aghi microscopici, o microaghi, che sono ciascuno circa un quinto della larghezza di un capello umano. Indossare il dispositivo non è doloroso: i microaghi penetrano a malapena nella superficie della pelle per rilevare le biomolecole nel liquido interstiziale, che è il fluido che circonda le cellule sotto la pelle. Il dispositivo può essere indossato sulla parte superiore del braccio e invia i dati in modalità wireless a un’app per smartphone personalizzata.
I ricercatori dell’UC San Diego Center for Wearable Sensors descrivono il loro dispositivo in un articolo pubblicato il 9 maggio su Nature Biomedical Engineering .
“Questo è come un laboratorio completo sulla pelle”, ha affermato il direttore del centro Joseph Wang, professore di nanoingegneria alla UC San Diego e co-autore corrispondente dell’articolo. “È in grado di misurare continuamente più biomarcatori contemporaneamente, consentendo agli utenti di monitorare la propria salute e benessere mentre svolgono le loro attività quotidiane”.
La maggior parte dei monitor sanitari commerciali, come i monitor continui della glicemia per i pazienti con diabete, misurano solo un segnale. Il problema, hanno detto i ricercatori, è che tralascia le informazioni che potrebbero aiutare le persone con diabete, ad esempio, a gestire la loro malattia in modo più efficace. Il monitoraggio dei livelli di alcol è utile perché bere alcolici può abbassare i livelli di glucosio. Conoscere entrambi i livelli può aiutare le persone con diabete a evitare che il livello di zucchero nel sangue scenda troppo in basso dopo aver bevuto. Combinare le informazioni sul lattato, che può essere monitorato durante l’esercizio come biomarcatore per l’affaticamento muscolare, è utile anche perché l’attività fisica influenza la capacità dell’organismo di regolare il glucosio.
“Con il nostro dispositivo indossabile, le persone possono vedere l’interazione tra i picchi o i cali di glucosio con la dieta, l’esercizio fisico e il consumo di bevande alcoliche. Ciò potrebbe aumentare anche la loro qualità di vita”, ha affermato Farshad Tehrani, un dottorato di ricerca in nanoingegneria. studente nel laboratorio di Wang e uno dei primi co-autori dello studio.
I microaghi si sono fusi con l’elettronica
Il wearable è costituito da un microneedle patch collegato a una custodia di elettronica. Diversi enzimi sulla punta dei microaghi reagiscono con glucosio, alcol e lattato nel liquido interstiziale. Queste reazioni generano piccole correnti elettriche, che vengono analizzate da sensori elettronici e comunicate in modalità wireless a un’app sviluppata dai ricercatori. I risultati vengono visualizzati in tempo reale su uno smartphone.
Un vantaggio dell’uso dei microaghi è che campionano direttamente il fluido interstiziale e la ricerca ha dimostrato che i livelli biochimici misurati in quel fluido sono correlati bene ai livelli nel sangue.
“Stiamo iniziando da un punto davvero buono con questa tecnologia in termini di validità clinica e pertinenza”, ha affermato Patrick Mercier, professore di ingegneria elettrica e informatica presso la UC San Diego e co-autore corrispondente dell’articolo. “Questo abbassa le barriere alla traduzione clinica”.
Il microneedle patch, che è monouso, può essere staccato dalla custodia elettronica per una facile sostituzione. La custodia elettronica, che è riutilizzabile, ospita la batteria, i sensori elettronici, il trasmettitore wireless e altri componenti elettronici. Il dispositivo può essere ricaricato su qualsiasi pad di ricarica wireless utilizzato per telefoni e smartwatch.
L’integrazione di tutti questi componenti in un piccolo dispositivo indossabile wireless è stata una delle maggiori sfide del team. Ha anche richiesto un design e un’ingegneria intelligenti per combinare l’elettronica riutilizzabile, che deve rimanere asciutta, con il cerotto microneedle, che viene esposto al fluido biologico.
“Il bello di questo è che è un sistema completamente integrato che qualcuno può indossare senza essere legato a apparecchiature da banco”, ha affermato Mercier, che è anche il co-direttore dell’UC San Diego Center for Wearable Sensors.
Test
Il wearable è stato testato su cinque volontari, che hanno indossato il dispositivo sulla parte superiore del braccio, mentre facevano esercizio, mangiavano e bevevano un bicchiere di vino. Il dispositivo è stato utilizzato per monitorare continuamente i livelli di glucosio dei volontari contemporaneamente ai loro livelli di alcol o lattato. Le misurazioni di glucosio, alcol e lattato effettuate dal dispositivo corrispondevano strettamente alle misurazioni effettuate rispettivamente da un monitor della glicemia commerciale, da un etilometro e dalle misurazioni del lattato nel sangue eseguite in laboratorio.
Prossimi passi
Farshad Tehrani e il collega co-primo autore Hazhir Teymourian, che è un ex ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Wang, hanno co-fondato una società di avvio chiamata AquilX per sviluppare ulteriormente la tecnologia per la commercializzazione. I passaggi successivi includono il test e il miglioramento della durata della patch microneedle prima di essere sostituita. L’azienda è inoltre entusiasta della possibilità di aggiungere più sensori al dispositivo per monitorare i livelli di farmaci nei pazienti e altri segnali sanitari.
