Et gennembrud i medicinsk overvågning: Næste generations medicinsk stabilisering med nanopartikelbaserede bærbare biosensorer

Mod baggrunden af aldring, kroniske sygdomme og en voksende befolkning gennemgår sundhedssystemet en afgørende transformation.

Sundhedspleje bliver simpelthen stadig mere individcentreret. Denne tendens er drevet af bærbare enheder, som muliggør kontinuerlig måling af kritiske biomarkører til medicinsk diagnostik, overvågning af sygdomstilstand, sundhed og omgivelser samt evaluering af biologiske væsker som sved, spyt, tårer og blod.

Disse bærbare enheder er portable elektroniske enheder, der bruger sensorer til at indsamle realtidsdata om forskellige fysiologiske parametre, hvilket igen muliggør kontinuerlig overvågning af aktivitetsniveauer og sundhed.

Endnu vigtigere hjælper disse biosensorer almindelige personer med at overvåge deres egen sundhed fra hvor som helst og når som helst. Især kan disse enheder hjælpe patienter med kroniske sygdomme med at reducere antallet af indlæggelser og spare omkostninger. Overordnet kan folk bedre styre deres liv og sundhed med bærbare enheder.

Samtidig kan læger opdage potentielle sundhedsproblemer tidligt, reagere øjeblikkeligt og levere personlige sundhedsplaner, mens hospitaler kan spare på udstyrsomkostninger.

Afhængigt af de målte parametre kan bærbare biosensorer være af forskellige typer, såsom optiske, elektrokemiske, elektromechaniske, kemiske og optoelektroniske sensorer. Disse enheder kan bæres på den menneskelige krop eller implanteres i den for at overvåge biologiske signaler ved at foretage ikke-invasive målinger af biokemiske markører.

Med hensyn til deres design eller anvendelse kan bærbare enheder klassificeres på nogle få forskellige måder.

For at begynde med er håndledsmonterede bærbare enheder (WWD), som navnet antyder, typisk båret på håndleddet. Smartwatches eller fitnessarmbånd er eksempler på disse wearables, som har udviklet sig fra grundlæggende accelerometerbaserede enheder til nu at inkludere biometrisk måling, der bruges som ikke-invasive menneskeovervågningsenheder.

Armbånd, især, er designet til at spore menneskelig sundhed og fitnessaktiviteter. De har ret begrænsede funktioner og kan til tider endda mangle en skærm til notifikationer. Fitbit, Amazon (AMZN ) Halo Band og Huawei Talkband B3 er populære eksempler.

Håndure eller smartwatches er en af de mest populære typer af bærbare enheder, som overvåger specifikke menneskelige fysiologiske signaler og biomekanik. De bruger sensorer og batterier til at indsamle information og overføre den til smartphonen for analyse og læsbarhed. Nogle populære eksempler på smartwatches er Apple Watch, Samsung Galaxy Watch og Garmin Fenix. De muliggør sporing af målinger som ECG, blodoxygen, SpO2, stress, søvn og hjertefrekvens, blandt andre.

Derefter findes der patches til realtidsanalyse af kropsvæsker som sved og temperatur. Dette inkluderer glukoseovervågningspatches som Abbott FreeStyle Libre og Dexcom G7, Gatorade Gx Sweat Patch til at analysere svedsammensætning for at give hydrationsanbefalinger, samt TempTraq til kontinuerlig temperaturovervågning.

Udover hænderne er hovedet en anden kropsdel, hvor disse enheder bæres. Hovedmonterede værktøjer som hjelme, briller og kasketter er visuelle enheder, der tilbyder hænderfri funktioner.

Når det gælder smartbriller, har vi set Ray-Ban Meta Smart Glasses, Vuzix Blade & Vuzix Shield, Rokid Max og Xreal, som tilbyder indbyggede kameraer, højttalere, streaming, AI og andre funktioner til industrielle, medicinske, computer-, erhvervs- og gamingområder.

Selv smart hjelme får fremmarch som ikke kun beskyttende hovedbeklædning, men også for at levere intelligente tjenester ved at integrere med elektronisk sansning, alarmering og kommunikationsenheder. Der undersøges også, om hjelme kan behandle depression ved at sende svage elektriske pulser til hjernen.

Smart tøj eller E-Textiles er endnu en bærbar enhed, der bruger smarte materialer, som reagerer på mekaniske, termiske og kemiske ændringer. E-textiles kan også registrere eksterne stimuli fra miljøet.

Inden for E-textiles har vi Hexoskin smart shirts, som sporer hjertefrekvens, åndedrætsfrekvens og bevægelse for atleter og medicinsk brug. Disse vaskbare beklædningsgenstande leverer kontinuerlige data om hjerte, lunger, aktivitet, søvn, elektrokardiografirapportering og respiratorisk ventilation. Hexoskin tilbyder ikke-invasivt og komfortabelt smart tøj til mænd, kvinder og børn, med ekstra anti-lugt og UV-beskyttelsesfunktioner. Teknologisk set giver de op til 36+ timers batterilevetid, over 100 dages optagelse og Bluetooth-forbindelse.

Udover shirts bliver også sokker, nattøj, jakker og sko smarte. Så er verden af bærbare enheder tydeligt en hurtigt voksende, da folk i stigende grad prioriterer deres sundhed og velvære. Denne vækst forstærkes yderligere af den lette tilgængelighed af data i realtid, fremskridt inden for sensorteknologi og udvidende sundhedsapplikationer.

Printbare Nanopartikler til Bærbare Biosensorer

Mens bærbare biosensorer baner nye veje inden for præcisionsmedicin, har forskere fra Caltech udviklet en teknik, der muliggør masseproduktion af langtidsholdbare bærbare svedsensorer.

Med denne teknologi, som er inkjet-udskrivning af arrays af specielle nanopartikler, sigter forskningen mod at løse udfordringerne med produktionsskalerbarhed, driftsinstabilitet og et begrænset antal detekterbare mål, som hindrer den brede adoption af bærbare og implanterbare biosensorer.

De printbare kerne-skald nanopartikler har indbygget dobbelt funktionalitet — en molekylært afstøbt polymer skal for at genkende et specifikt mål og en kerne af nikkelhexacyanoferrat (NiHCF) for at stabilisere elektrokemisk transduktion.

Ved at anvende en optimeret nanopartikel-inkformulering gennem inkjet-udskrivning demonstrerede Caltech-ingeniører muligheden for masseproduktion af fleksible og robuste biosensorer, som kan kontinuerligt overvåge et bredt spektrum af biomarkører. Dette inkluderer lægemidler, vitaminer, aminosyrer og metabolitter.

Teamet demonstrerede yderligere effektiviteten af disse biomarkører i bærbar metabolisk overvågning af kreatinin, tryptofan og C-vitamin hos personer, der lider af langvarig COVID-19.

De brugte også succesfuldt de nye nanopartikler og bekræftede nytten af biomarkørerne i terapeutisk lægemiddelmåling for kræftpatienter samt i en musemodel ved at levere realtidsanalyse af immunsuppressiva som mycophenolsyre, cyclophosphamid og busulfan.

Men dette er ikke alt, hvad der er muligt med teknologien.

“Der er mange kroniske tilstande og deres biomarkører, som disse sensorer nu giver os mulighed for at overvåge kontinuerligt og ikke-invasivt.”

– Wei Gao, korresponderende forfatter og professor i medicinsk ingeniørvidenskab i Andrew og Peggy Cherng Department of Medical Engineering på Caltech

Ifølge den artikel offentliggjort¹ i tidsskriftet Nature Materials, der beskriver teknikken, dannes nanopartikelterninger i en opløsning, der indeholder det specifikke molekyle, såsom C-vitamin, som forskerne ønsker at spore.

Målmolekylet bliver derefter fanget inde i de kubiske nanopartikler, mens monomerer spontant samles for at danne en polymer. En opløsningsmiddel bruges derefter til at fjerne mål-molekylerne, så der specifikt efterlades en molekylært afstøbt polymer skal.

Denne skal er prikket med huller, der har former, der præcist matcher mål-molekylets form, på samme måde som kunstige antistoffer selektivt identificerer formerne af kun specifikke molekyler.

Bemærkelsesværdigt kombinerer forskerne i den nye undersøgelse de specielt dannede polymerer med en nanopartikelkerne lavet af den kemiske forbindelse NiHCF. Forbindelsen er kendt for sine unikke egenskaber, som omfatter god elektrisk ledningsevne, høj termisk stabilitet, evnen til at gennemgå reversible redox-reaktioner og magnetisk adfærd. Disse egenskaber gør NiHCF til et lovende materiale til magnetisk lagringsmedier, katalyse og elektrokemiske energilagringsenheder som batterier, samt sensorer og biosensorer.

Endnu vigtigere kan NiHCF også oxideres under en pålagt elektrisk spænding, når den kommer i kontakt med kropsvæsker som sved.

I denne undersøgelse vil væske kun komme i kontakt med NiHCF-kernen, hvis hullerne i form af mål-molekylet er ubesatte, hvilket vil generere et elektrisk signal.

Dog, når molekylerne møder polymeren, glider de ind i de huller. Dette forhindrer kropsvæsker som sved i at komme i kontakt med kernen, hvilket svækker det elektriske signal. Så hvor stærkt det elektriske signal er, afslører, hvor meget det målrettede molekyle, som C-vitamin, er til stede. Gao forklarede:

“Denne kerne er kritisk. Nikkelhexacyanoferrat-kernen er yderst stabil, selv i biologiske væsker, hvilket gør disse sensorer ideelle til langtidsmåling.”

De fremstillede kerne-skald nanopartikler er meget fleksible. De bruges til at udskrive sensorarrays, der beregner mængden af hormoner, aminosyrer, lægemidler eller metabolitter i sved eller kropsvæsker blot ved at bruge flere nanopartikel-“blæk” i et enkelt array. 

For eksempel udskrev forskerne også nanopartikler, der binder kreatinin, den almindeligt anvendte biomarkør, for at undersøge, hvor godt nyrerne fungerer. Teamet kombinerede disse nanopartikler med dem, der binder til C-vitamin og dem, der binder til tryptofan, i en enkelt sensor, som derefter blev masseproduceret for at studere patienter med langvarig COVID.

Nanopartikelbaserede bærbare sensorer blev også udskrevet for tre specifikke men forskellige kræftmedikamenter på individuelle sensorer, som forskerne testede på kræftforsknings- og behandlingscenteret i City of Hope.

Ifølge Gao, som også er Ronald og JoAnne Willens Scholar og en forsker ved Heritage Medical Research Institute:

“Ved at demonstrere potentialet i denne teknologi var vi i stand til at fjernovervåge mængden af kræftmedikamenter i kroppen på ethvert tidspunkt.”

Dette peger ikke kun på vejen til at opnå dosis-personalisering for kræft, men også for mange andre tilstande, tilføjede han.

Ud over alt demonstrerede teamet, at nanopartiklerne endda kan bruges til at udskrive sensorer, der kan implanteres lige under huden for nøjagtigt at overvåge lægemiddelniveauer i kroppen.

Klik her for at lære, hvordan innovativ healthtech er på vej frem med avancerede wearables.

Firmaet der fører inden for Wearable Tech

Lad os nu se på det mest fremtrædende navn inden for wearables-teknologisektoren, som fortsat gør fremskridt.

1. Apple

Verdens største virksomhed målt på markedsværdi på 3,63 billioner dollars, Apple (AAPL ) har i øjeblikket aktier, der handles til 241,53 $, ned 3,55% år‑til‑dato. Dens EPS (TTM) er 6,96, og P/E‑forholdet (TTM) er 34,69. Udbytteafkastet, som Apple betaler, er 0,41%.

Apple gik ind i wearables-sektoren for over et årti siden ved at lancere Apple Watch Series 0, den første i serien. Selvom smartwatch-markedet allerede var overfyldt på det tidspunkt, formåede Apple stadig at etablere sin tilstedeværelse trods den sene indtræden.

Gennem årene har Apple formået at erobre en betydelig del af dette marked, men i de senere år har den oplevet et fald. I 2020 var dens markedsandel over 34%, hvilket faldt til omkring 30% året efter.

Ifølge IDC var Apples markedsandel fra Q1 til Q3 2024 16,2%, da den registrerede 22,5 millioner enheder, hvilket faldt fra 18,4% i samme periode sidste år. Med dette står Apple nu på andenpladsen, da Huawei overtager med 23,6 millioner enheder og opnår en markedsandel på 16,9%. Disse to efterfølges af Xiaomi, Samsung og BBK. Så selvom Apple stadig opretholder en stærk tilstedeværelse, står den nu over for hård konkurrence.

Midt i alt dette fortsætter Apple med at arbejde på sin wearable-teknologi og udvider nu sine sundhedsforskningsambitioner ved at bruge sine enheder til en undersøgelse, der monitorerer ændringer i deltagernes sundhed. Virksomheden sigter mod at udnytte de enheder og apps, som folk bruger hver dag, for at evaluere forbindelserne mellem mental og fysisk sundhed samt sociale determinanter og hvordan de påvirker en persons samlede velbefindende.

Dette er for at hjælpe dem med at identificere signaler i en persons sundhedsdata for potentielt at opdage en sundhedstilstand. Apple Health Study vil blive gjort tilgængelig i Research-appen, som har hjulpet teamet med at opnå “værdifulde indsigter” til at udvikle nye værktøjer som Walking Steadiness på iPhone og Vitals-appen på Apple Watch.

Sidste år begyndte virksomheden også at udforske idéen om at udvikle nye bærbare enheder som smartbriller, en fitnessring og endda AirPods med kameraer.

En smart ring, der skal bæres på fingeren, blev oprindeligt anbefalet af designgruppen for et par år siden, som ville overføre sundhedssporingsfunktioner fra Apple Watch, men for nylig har ingeniører diskuteret muligheden for smartbriller, der kan levere lyd, bruge et kamera og AI til at identificere ting og i sidste ende fungere som springbræt for Apples ambition om at skabe ægte AR-briller, som man kan bære hele dagen.

Virksomheden har også arbejdet hårdt på AirPods-øretelefoner, Vision Pro-headset, Beats-hovedtelefoner, HomePod-højttaler og Apple Watch for at styrke sin bærbare enhedsforretning.

Interessant nok har Apple patenteret en ny smartwatch-teknologi, der kan muliggøre blodtryksmåling på Apple Watch uden at stole på optiske sensorer. Indtil videre tilbyder Apple Watch kraftfulde apps såsom hjertefrekvens- og uregelmæssig rytme-notifikationer, AFib-historik, ECG-app, lav cardio fitness-notifikationer, blodoxygen-niveau og faldregistrering for at hjælpe folk med at leve sunde liv.

Men det er ikke alt. Apples AirPods Pro 2-øretelefoner tilbyder endda funktionaliteten af håndkøbs høreapparater. Selvom høretesten er imponerende præcis, er den egnet til personer med kun let til moderat høretab.

Now, the company’s financial health — Apple recently rapporteret de finansielle resultater for sit regnskabsår 2025 Q1, der sluttede den 28. december 2024. I dette “bedste kvartal nogensinde” havde Apple 124,3 milliarder dollars i omsætning og udvandet indtjening per aktie på 2,40 $, op 4% og 10% år‑til‑år henholdsvis. 

Indtægterne omfattede 69,14 milliarder dollars fra iPhones, 8,99 milliarder dollars fra Mac-produkter, 8,09 milliarder dollars fra iPads og 11,75 milliarder dollars fra andre produkter, også kaldet Wearables, som inkluderer Apple Watch, AirPods, Beats og Vision Pro-salg. Wearables-kategorien oplevede et fald på 2% på år‑til‑år basis.

Samtidig blev 26,34 milliarder dollars brugt på tjenester, som inkluderede abonnementer, garantier og licensaftaler. I indtjeningsopkaldet udtalte CEO Tim Cook, at virksomheden havde mere end en milliard abonnementer. Dette inkluderer abonnementer på tjenester som Apple TV+ og iCloud samt abonnementer på tredjepartsapps gennem App Store.

Virksomhedens stærke driftsmarginer sendte også dens EPS til et nyt rekordhøjt niveau med tocifret vækst, hvilket gjorde det muligt for teknologigiganten at returnere over 30 milliarder dollars til sine aktionærer, med bestyrelsen der erklærede et kontantudbytte på 0,25 $ per aktie.

Apples installerede base af aktive enheder nåede også et nyt højdepunkt på tværs af alle produkter og geografiske segmenter. Dog faldt salget af enheder med 11,1% i Kina. iPhone-salget var dog stærkere i regioner, hvor Apple Intelligence er tilgængeligt, sagde Cook.

“Gennem kraften i Apple silicon låser vi nye muligheder op for vores brugere med Apple Intelligence, som gør apps og oplevelser endnu bedre og mere personlige.”

– Cook

Så arbejder Apple nu sammen med Alibaba og Baidu for at bringe AI-funktioner til sine iPhones i Kina inden midten af dette år.

Konklusion

Personaliseringen af sundhedspleje er fremtiden for medicin. Dette kan i sidste ende forbedre patientresultater, reducere sygdomsbyrden og sænke sundhedsudgifterne, men naturligvis betyder det at vide præcis, hvad man har brug for, og derefter levere den rette blanding af medicin, næringsstoffer og metabolitter.

Til dette har vi først brug for en måde at kontinuerligt måle og overvåge visse sundhedsbiomarkører, hvor wearables-teknologi kan være til enorm hjælp, som den nye undersøgelse har demonstreret.

Ved at udvikle printbare kerne-skald nanopartikler har forskerne taget et stort skridt mod masseproduktion af langtidsholdbare, bærbare biosensorer. Alsidigheden af disse sensorer, fra overvågning af kroniske tilstande til personalisering af lægemiddeldoser for kræftpatienter, åbner nye døre inden for præcisionsmedicin.

Sådanne teknologiske fremskridt kan tilbyde både patienter og sundhedsudbydere kontinuerlige og individualiserede sundhedsindsigter og bringe os tættere på en fremtid, hvor personlig, datadrevet sundhedsstyring er sømløst integreret i vores daglige liv!

Klik her for en liste over de bedste bærbare sundhedssporingsvirksomheder.