Ein Durchbruch in der medizinischen Überwachung: Next‑Gen‑Medizinische Stabilisierung mit nanopartikelbasierten tragbaren Biosensoren

Vor dem Hintergrund von Alterung, chronischen Krankheiten und einer wachsenden Bevölkerung befindet sich das Gesundheitssystem in einer entscheidenden Transformation.

Das Gesundheitswesen wird immer stärker individualisiert. Dieser Trend wird von tragbaren Geräten angetrieben, die eine kontinuierliche Messung kritischer Biomarker für medizinische Diagnostik, die Überwachung von Krankheitszuständen, Gesundheit und Umgebung sowie die Bewertung biologischer Flüssigkeiten wie Schweiß, Speichel, Tränen und Blut ermöglichen.

Diese tragbaren Geräte sind portable elektronische Geräte, die Sensoren nutzen, um Echtzeitdaten zu verschiedenen physiologischen Parametern zu erfassen, was wiederum eine kontinuierliche Überwachung von Aktivitätsniveau und Gesundheit ermöglicht.

Noch wichtiger ist, dass diese Biosensoren normalen Menschen ermöglichen, ihre eigene Gesundheit von überall und zu jeder Zeit zu überwachen. Insbesondere können diese Geräte Patienten mit chronischen Krankheiten helfen, die Zahl der Krankenhausaufenthalte zu reduzieren und Kosten zu sparen. Insgesamt können Menschen ihr Leben und ihre Gesundheit besser managen, wenn sie tragbare Geräte nutzen.

Gleichzeitig können Ärzte potenzielle Gesundheitsprobleme frühzeitig erkennen, sofort reagieren und personalisierte Gesundheitspläne bereitstellen, während Krankenhäuser bei Gerätekosten sparen können.

Je nach gemessenen Parametern können tragbare Biosensoren unterschiedliche Typen sein, wie optische, elektrochemische, elektromechanische, chemische und optoelektronische Sensoren. Diese Geräte können am menschlichen Körper getragen oder in ihn implantiert werden, um biologische Signale durch nicht-invasive Messungen biochemischer Marker zu überwachen.

In Bezug auf ihr Design oder ihre Nutzung können tragbare Geräte in einige verschiedene Kategorien eingeteilt werden.

Zunächst sind am Handgelenk befestigte tragbare Geräte (WWD), wie der Name schon sagt, typischerweise am Handgelenk zu tragen. Smartwatches oder Fitnessbänder sind Beispiele für diese Wearables, die sich von einfachen, auf Beschleunigungsmessern basierenden Geräten zu solchen entwickelt haben, die jetzt biometrische Sensoren für die nicht-invasive Überwachung des Menschen enthalten.

Wristbands sind insbesondere dafür konzipiert, die Gesundheit und Fitnessaktivitäten des Menschen zu verfolgen. Sie verfügen über eher begrenzte Funktionen und haben manchmal nicht einmal einen Bildschirm für Benachrichtigungen. Fitbit, Amazon (AMZN ) Halo Band und Huawei Talkband B3 sind beliebte Beispiele.

Wristwatches oder Smartwatches gehören zu den beliebtesten Arten tragbarer Geräte, die spezifische physiologische Signale und Biomechanik des Menschen überwachen. Sie nutzen Sensoren und Batterien, um Informationen zu sammeln und an das Smartphone für Analysen und Lesbarkeit zu übertragen. Zu den populären Smartwatch-Beispielen gehören die Apple Watch, die Samsung Galaxy Watch und die Garmin Fenix. Sie ermöglichen das Tracking von Messwerten wie EKG, Blutsauerstoff, SpO2, Stress, Schlaf und Herzfrequenz, unter anderem.

Dann gibt es Pflaster für die Echtzeitanalyse von Körperflüssigkeiten wie Schweiß und Temperatur. Dazu gehören Glukose‑Messpflaster wie Abbott FreeStyle Libre und Dexcom G7, das Gatorade Gx Sweat Patch zur Analyse der Schweißzusammensetzung für Hydratationsempfehlungen sowie TempTraq für die kontinuierliche Temperaturüberwachung.

Neben den Händen ist der Kopf ein weiterer Körperteil, an dem diese Geräte getragen werden. Kopfbefestigte Werkzeuge wie Helme, Brillen und Kappen sind visuelle Geräte, die freihändige Funktionen bieten.

Bei Smart Glasses haben wir Modelle wie Ray‑Ban Meta Smart Glasses, Vuzix Blade & Vuzix Shield, Rokid Max und Xreal gesehen, die eingebaute Kameras, Lautsprecher, Streaming, KI und weitere Funktionen für industrielle, medizinische, Computer‑, Unternehmens‑ und Gaming‑Bereiche bieten.

Auch intelligente Helme gewinnen an Bedeutung, nicht nur als Schutzkopfbedeckung, sondern auch um intelligente Dienste durch Integration von elektronischer Sensorik, Alarmierung und Kommunikationsgeräten zu bieten. Helme werden zudem erforscht, um Depressionen zu behandeln, indem schwache elektrische Impulse an das Gehirn gesendet werden.

Smart clothing oder E‑Textilien sind ein weiteres Wearable, das intelligente Materialien nutzt, die auf mechanische, thermische und chemische Veränderungen reagieren. E‑Textilien können zudem externe Stimuli aus der Umgebung wahrnehmen.

Im Bereich der E‑Textilien haben wir Hexoskin‑Smart‑Shirts, die Herzfrequenz, Atemfrequenz und Bewegung für Sportler und medizinische Anwendungen verfolgen. Diese waschbaren Kleidungsstücke liefern kontinuierliche kardiale, pulmonale, Aktivitäts‑ und Schlafdaten, EKG‑Berichte und respiratorische Ventilation. Hexoskin bietet nicht‑invasive und komfortable Smart‑Clothing für Männer, Frauen und Kinder, mit zusätzlichen Anti‑Geruch‑ und UV‑Schutz‑Features. Technisch bieten sie bis zu 36+ Stunden Batterielaufzeit, über 100 Tage Aufzeichnung und Bluetooth‑Konnektivität.

Neben Shirts werden auch Socken, Schlafbekleidung, Jacken und Schuhe immer smarter. Die Welt der Wearables wächst also eindeutig rasant, da Menschen zunehmend ihre Gesundheit und ihr Wohlbefinden priorisieren. Dieses Wachstum wird weiter durch die Echtzeit‑Verfügbarkeit von Daten, Fortschritte in der Sensortechnologie und die Ausweitung von Gesundheits‑Anwendungen beflügelt.

Druckbare Nanopartikel für tragbare Biosensoren

Während tragbare Biosensoren neue Grenzen in der Präzisionsmedizin erschließen, haben Forscher von Caltech eine Technik entwickelt, die die Massenproduktion langlebiger tragbarer Schweißsensoren ermöglicht.

Mit dieser Technologie, die das Inkjet‑Drucken von Arrays spezieller Nanopartikel beinhaltet, zielt die Forschung darauf ab, die Herausforderungen von Produktionsskalierbarkeit, betrieblicher Instabilität und einer begrenzten Anzahl detektierbarer Ziele zu adressieren, die die weitverbreitete Einführung tragbarer und implantierbarer Biosensoren behindern.

Die druckbaren Kern‑Schale‑Nanopartikel besitzen eine eingebaute Dualfunktion – eine molekular geprägte Polymerhülle zur Erkennung eines spezifischen Ziels und einen Kern aus Nickel‑Hexacyanoferrat (NiHCF) zur Stabilisierung der elektrochemischen Transduktion.

Durch die Nutzung einer optimierten Nanopartikel‑Tintenformulierung mittels Inkjet‑Druck zeigten Caltech‑Ingenieure die Möglichkeit der Massenproduktion flexibler und robuster Biosensoren, die ein breites Spektrum von Biomarkern kontinuierlich überwachen können. Dazu gehören Medikamente, Vitamine, Aminosäuren und Metaboliten.

Das Team demonstrierte weiter die Wirksamkeit dieser Biomarker beim tragbaren metabolischen Monitoring von Kreatinin, Tryptophan und Vitamin C bei Personen mit langfristigem COVID‑19.

Sie setzten die neuen Nanopartikel erfolgreich ein und validierten die Nützlichkeit der Biomarker für das therapeutische Drug‑Monitoring bei Krebspatienten sowie in einem Mausmodell, indem sie Echtzeitanalysen von Immunsuppressiva wie Mycophenolsäure, Cyclophosphamid und Busulfan bereitstellten.

Aber das ist nicht alles, was mit der Technologie möglich ist.

„Es gibt viele chronische Erkrankungen und deren Biomarker, die uns diese Sensoren nun die Möglichkeit geben, kontinuierlich und nicht‑invasiv zu überwachen.“

– Wei Gao, korrespondierender Autor und Professor für Medizintechnik in der Andrew und Peggy Cherng Abteilung für Medizintechnik am Caltech

Laut dem veröffentlichten¹ Artikel in der Zeitschrift Nature Materials, in dem die Technik detailliert beschrieben wird, entstehen die Nanopartikel‑Würfel in einer Lösung, die das spezifische Molekül, z. B. Vitamin C, das die Forscher verfolgen wollen, enthält.

Das Zielmolekül wird dann im Inneren der kubischen Nanopartikel gefangen, während sich Monomere spontan zu einem Polymer zusammenlagern. Anschließend wird ein Lösungsmittel verwendet, um die Zielmoleküle zu entfernen und dabei gezielt die molekular geprägte Polymerhülle zurückzulassen.

Diese Hülle ist mit Löchern versehen, deren Formen exakt dem Zielmolekül entsprechen, ähnlich wie künstliche Antikörper selektiv nur bestimmte Moleküle erkennen.

Bemerkenswerterweise kombinieren die Forscher in der neuen Studie die speziell gebildeten Polymere mit einem Nanopartikel‑Kern aus der chemischen Verbindung NiHCF. Die Verbindung ist bekannt für ihre einzigartigen Eigenschaften, darunter gute elektrische Leitfähigkeit, hohe thermische Stabilität, die Fähigkeit zu reversiblen Redox‑Reaktionen und magnetisches Verhalten. Diese Eigenschaften machen NiHCF zu einem vielversprechenden Material für magnetische Speichermedien, Katalyse und elektrochemische Energiespeichergeräte wie Batterien sowie für Sensoren und Biosensoren.

Noch wichtiger ist, dass NiHCF unter angelegter elektrischer Spannung oxidiert werden kann, wenn es mit Körperflüssigkeiten wie Schweiß in Kontakt kommt.

In dieser Studie kommt die Flüssigkeit nur dann mit dem NiHCF‑Kern in Kontakt, wenn die Löcher in Form des Zielmoleküls unbesetzt sind, was ein elektrisches Signal erzeugt.

Wenn die Moleküle jedoch auf das Polymer treffen, gleiten sie in diese Löcher. Dies verhindert, dass Körperflüssigkeiten wie Schweiß den Kern berühren, wodurch das elektrische Signal geschwächt wird. So zeigt die Stärke des elektrischen Signals, wie viel des Zielmoleküls, z. B. Vitamin C, vorhanden ist. Gao erklärte:

„Dieser Kern ist entscheidend. Der Nickel‑Hexacyanoferrat‑Kern ist selbst in biologischen Flüssigkeiten hochstabil, was diese Sensoren ideal für Langzeitmessungen macht.“

Die erzeugten Kern‑Schale‑Nanopartikel sind hochflexibel. Sie werden verwendet, um Sensor‑Arrays zu drucken, die die Menge von Hormonen, Aminosäuren, Medikamenten oder Metaboliten in Schweiß oder Körperflüssigkeiten berechnen, indem mehrere Nanopartikel‑„Tinten“ in einem einzigen Array eingesetzt werden.

Beispielsweise druckten die Forscher auch Nanopartikel, die an Kreatinin binden – den häufig genutzten Biomarker – um zu prüfen, wie gut die Nieren funktionieren. Das Team kombinierte diese Nanopartikel mit solchen, die an Vitamin C bzw. Tryptophan binden, zu einem einzigen Sensor, der dann massenproduziert wurde, um Patienten mit Long‑COVID zu untersuchen.

Nanopartikel‑basierte tragbare Sensoren wurden zudem für drei spezifische, aber unterschiedliche Krebstherapie‑Medikamente auf einzelnen Sensoren gedruckt, die Forscher im Cancer Research and Treatment Center in der City of Hope testeten.

Laut Gao, der zudem Ronald‑ und JoAnne‑Willens‑Stipendiat sowie Investigator des Heritage Medical Research Institute ist:

„Indem wir das Potenzial dieser Technologie demonstrieren, konnten wir die Menge von Krebsmedikamenten im Körper jederzeit aus der Ferne überwachen.“

Dies weist nicht nur den Weg zur Dosierungspersonalisierung bei Krebs, sondern auch bei vielen anderen Erkrankungen, wie er hinzufügte.

Zusätzlich zeigte das Team, dass die Nanopartikel sogar verwendet werden können, um Sensoren zu drucken, die knapp unter der Haut implantierbar sind, um die Medikamentenkonzentration im Körper exakt zu überwachen.

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Unternehmen, das die Wearable‑Technologie anführt

Nun werfen wir einen Blick auf den prominentesten Namen im Wearable‑Technologiesektor, der weiterhin Fortschritte macht.

1. Apple Apple

Das weltweit größte Unternehmen nach Marktkapitalisierung von 3,63 Billionen $, Apple (AAPL ) handelt derzeit mit einem Kurs von 241,53 $, ein Rückgang von 3,55 % im Jahresverlauf. Das EPS (TTM) beträgt 6,96, das KGV (TTM) liegt bei 34,69. Die Dividendenrendite von Apple beträgt 0,41 %.

Apple trat vor über einem Jahrzehnt in den Wearable‑Sektor ein, indem es die Apple Watch Series 0, das erste Modell der Reihe, auf den Markt brachte. Obwohl der Smartwatch‑Markt zu diesem Zeitpunkt bereits gesättigt war, konnte Apple trotz des späten Einstiegs seine Präsenz etablieren.

Im Laufe der Jahre hat Apple einen beachtlichen Marktanteil erobert, doch in den letzten Jahren verzeichnet das Unternehmen einen Rückgang. 2020 lag sein Marktanteil bei über 34 %, im darauffolgenden Jahr sank er auf etwa 30 %.

Laut IDC betrug Apples Marktanteil von Q1 bis Q3 2024 16,2 % bei 22,5 Millionen ausgelieferten Geräten, ein Rückgang gegenüber 18,4 % im gleichen Zeitraum des Vorjahres. Damit liegt Apple nun an zweiter Stelle, da Huawei mit 23,6 Millionen Geräten und einem Marktanteil von 16,9 % überholt. Auf den beiden folgen Xiaomi, Samsung und BBK. Während Apple also weiterhin stark präsent ist, steht das Unternehmen nun vor harter Konkurrenz.

Inmitten all dessen arbeitet Apple weiter an seiner Wearable‑Technologie und erweitert seine Gesundheits‑Forschungsambitionen, um seine Geräte für Studien zur Überwachung von Gesundheitsveränderungen der Teilnehmenden zu nutzen. Das Unternehmen will die täglich genutzten Geräte und Apps einsetzen, um die Zusammenhänge zwischen mentaler und physischer Gesundheit sowie sozialen Determinanten zu evaluieren und zu verstehen, wie sie das allgemeine Wohlbefinden einer Person beeinflussen.

Ziel ist es, Signale in den Gesundheitsdaten einer Person zu identifizieren, um potenziell eine Erkrankung zu erkennen. Die Apple Health Study wird in der Research‑App verfügbar sein, die dem Team „wertvolle Einblicke“ ermöglichte, neue Werkzeuge wie Walking Steadiness auf dem iPhone und die Vitals‑App auf der Apple Watch zu entwickeln.

Im letzten Jahr begann das Unternehmen zudem, die Idee zu erforschen, neue Wearables wie Smart‑Brillen, einen Fitness‑Ring und sogar AirPods mit Kameras zu entwickeln.

Ein Smart‑Ring, der am Finger getragen wird, wurde vor einigen Jahren vom Design‑Team empfohlen, um Gesundheits‑Tracking‑Funktionen der Apple Watch zu übernehmen. Kürzlich diskutierten Ingenieure jedoch die Möglichkeit von Smart‑Brillen, die Audio bieten, eine Kamera und KI zur Objekterkennung nutzen und letztlich als Sprungbrett für Apples Bestreben dienen, echte AR‑Brillen zu schaffen, die den ganzen Tag getragen werden können.

Das Unternehmen arbeitet zudem intensiv an AirPods‑Ohrhörern, dem Vision Pro‑Headset, Beats‑Kopfhörern, dem HomePod‑Lautsprecher und der Apple Watch, um sein Wearable‑Geschäft zu stärken.

Interessanterweise hat Apple ein neues Smartwatch‑Patent angemeldet, das eine Blutdruckmessung auf der Apple Watch ermöglichen könnte, ohne auf optische Sensoren zurückzugreifen. Derzeit bietet die Apple Watch leistungsstarke Apps wie Herzfrequenz‑ und Rhythmus‑Benachrichtigungen, AFib‑Verlauf, ECG‑App, Benachrichtigungen bei niedriger kardiovaskulärer Fitness, Blutsauerstoff‑Messung und Sturzerkennung, um Menschen zu einem gesunden Leben zu verhelfen.

Doch das ist noch nicht alles. Die AirPods Pro 2‑Ohrhörer von Apple bieten sogar die Funktion von rezeptfreien Hörgeräten. Während der Hörtest beeindruckend genau ist, eignet er sich für Personen mit leichter bis mittlerer Hörminderung.

Nun zur finanziellen Lage des Unternehmens – Apple hat kürzlich die Finanzzahlen für das Geschäftsjahr 2025 Q1, das am 28. Dezember 2024 endete, veröffentlicht. In diesem „besten Quartal aller Zeiten“ erzielte Apple einen Umsatz von 124,3 Milliarden $ und einen verwässerten Gewinn je Aktie von 2,40 $, ein Anstieg von 4 % bzw. 10 % gegenüber dem Vorjahr.

Der Umsatz setzte sich zusammen aus 69,14 Milliarden $ für iPhones, 8,99 Milliarden $ für Mac‑Produkte, 8,09 Milliarden $ für iPads und 11,75 Milliarden $ für andere Produkte, die als Wearables bezeichnet werden und die Apple Watch, AirPods, Beats und Vision Pro umfassen. Die Wearables‑Kategorie verzeichnete im Jahresvergleich einen Rückgang von 2 %.

Gleichzeitig wurden 26,34 Milliarden $ für Services ausgegeben, darunter Abonnements, Garantien und Lizenzvereinbarungen. In der Ergebnispräsentation erklärte CEO Tim Cook, dass das Unternehmen über eine Milliarde Abonnements habe. Dazu gehören Abonnements für Dienste wie Apple TV+ und iCloud sowie Abonnements für Drittanbieter‑Apps über den App Store.

Die starken operativen Margen des Unternehmens trieben das EPS auf ein neues Allzeithoch mit zweistelligem Wachstum, wodurch der Technologieriese über 30 Milliarden $ an seine Aktionäre zurückgeben konnte, wobei der Vorstand eine Bardividende von 0,25 $ pro Aktie erklärte.

Apples installierte Basis aktiver Geräte erreichte ebenfalls ein neues Hoch über alle Produkte und geografischen Segmente hinweg. Allerdings sanken die Geräteverkäufe in China um 11,1 %. Die iPhone‑Verkäufe waren jedoch in Regionen, in denen Apple Intelligence verfügbar ist, stärker, sagte Cook.

„Durch die Leistungsfähigkeit von Apple‑Silicon erschließen wir neue Möglichkeiten für unsere Nutzer mit Apple Intelligence, das Apps und Erlebnisse noch besser und persönlicher macht.“

– Cook

Apple arbeitet nun mit Alibaba und Baidu zusammen, um bis Mitte dieses Jahres KI‑Funktionen in seine iPhones in China zu integrieren.

Fazit

Die Personalisierung des Gesundheitswesens ist die Zukunft der Medizin. Das kann letztlich die Behandlungsergebnisse verbessern, die Krankheitslast reduzieren und die Gesundheitskosten senken, erfordert jedoch, genau zu wissen, was man benötigt, und dann die richtige Mischung aus Medikamenten, Nährstoffen und Metaboliten zu liefern.

Dafür benötigen wir zunächst eine Möglichkeit, bestimmte Gesundheits‑Biomarker kontinuierlich zu messen und zu überwachen, wobei Wearable‑Technologie, wie die neue Studie gezeigt hat, enorm helfen kann.

Durch die Entwicklung druckbarer Kern‑Schale‑Nanopartikel haben Forscher einen großen Schritt in Richtung Massenproduktion langlebiger, tragbarer Biosensoren gemacht. Die Vielseitigkeit dieser Sensoren – vom Monitoring chronischer Erkrankungen bis zur Personalisierung von Medikamentendosen für Krebspatienten – eröffnet neue Türen in der Präzisionsmedizin.

Solche technologischen Fortschritte können sowohl Patienten als auch Gesundheits‑Anbietern kontinuierliche und individualisierte Gesundheits‑Einblicke bieten und uns einer Zukunft näherbringen, in der personalisiertes, datengetriebenes Gesundheits‑Management nahtlos in unser tägliches Leben integriert ist!

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