Una svolta nel monitoraggio medico: stabilizzazione medica di nuova generazione con biosensori indossabili basati su nanoparticelle

Sullo sfondo dell’invecchiamento, delle malattie croniche e di una popolazione in crescita, il sistema sanitario sta attraversando una trasformazione vitale.

L’assistenza sanitaria sta diventando sempre più incentrata sull’individuo. Questa tendenza è guidata dai dispositivi indossabili, che consentono la misurazione continua di biomarcatori critici per la diagnostica medica, il monitoraggio della condizione patologica, della salute e dell’ambiente circostante, e la valutazione di fluidi biologici come sudore, saliva, lacrime e sangue.

Questi dispositivi indossabili sono dispositivi elettronici portatili che utilizzano sensori per raccogliere dati in tempo reale su vari parametri fisiologici, consentendo così il monitoraggio continuo dei livelli di attività e della salute.

Ancora più importante, questi biosensori aiutano le persone comuni a monitorare la propria salute da qualsiasi luogo e in qualsiasi momento. In particolare, questi dispositivi possono aiutare i pazienti con malattie croniche a ridurre il numero di ricoveri ospedalieri e a risparmiare sui costi. In generale, le persone possono gestire meglio la propria vita e la propria salute con i dispositivi indossabili.

Nel frattempo, i medici possono rilevare potenziali problemi di salute in anticipo, intervenire immediatamente e fornire piani di assistenza sanitaria personalizzati, mentre gli ospedali possono risparmiare sui costi delle attrezzature.

A seconda dei parametri misurati, i biosensori indossabili possono essere di diversi tipi, come sensori ottici, elettrochimici, elettromeccanici, chimici e optoelettronici. Questi dispositivi possono essere indossati sul corpo umano o impiantati al suo interno per monitorare segnali biologici mediante misurazioni non invasive di marcatori biochimici.

In termini di design o utilità, i dispositivi indossabili possono essere classificati in diversi modi. 

Per cominciare, i dispositivi indossabili montati al polso (WWD), come suggerisce il nome, sono tipicamente indossati al polso. Gli smartwatch o i braccialetti fitness sono esempi di questi indossabili, che sono evoluti da semplici dispositivi basati su accelerometri a includere ora sensori biometrici utilizzati come dispositivi di monitoraggio umano non invasivi.

I braccialetti, in particolare, sono progettati per tracciare la salute umana e le attività fitness. Hanno funzionalità piuttosto limitate e, a volte, potrebbero non avere nemmeno uno schermo per le notifiche. Fitbit, Amazon (AMZN ) Halo Band e Huawei Talkband B3 sono esempi popolari.

Gli orologi da polso o gli smartwatch sono uno dei tipi di dispositivi indossabili più popolari, che monitorano specifici segnali fisiologici umani e la biomeccanica. Utilizzano sensori e batterie per raccogliere informazioni e trasferirle allo smartphone per l’analisi e la leggibilità. Alcuni esempi popolari di smartwatch sono l’Apple Watch, il Samsung Galaxy Watch e il Garmin Fenix. Consentono il tracciamento di metriche come ECG, ossigeno nel sangue, SpO2, stress, sonno e frequenza cardiaca, tra gli altri.

Poi ci sono i cerotti per l’analisi in tempo reale di fluidi corporei come sudore e temperatura. Questo include i cerotti per il monitoraggio del glucosio Abbott FreeStyle Libre e Dexcom G7, il Gatorade Gx Sweat Patch per analizzare la composizione del sudore e fornire raccomandazioni di idratazione, e TempTraq per il monitoraggio continuo della temperatura.

Oltre alle mani, la testa è un’altra parte del corpo dove questi dispositivi sono indossati. Strumenti montati sulla testa come caschi, occhiali e berretti sono dispositivi visivi che offrono funzionalità senza mani.

Per quanto riguarda gli occhiali intelligenti, abbiamo visto prodotti come Ray‑Ban Meta Smart Glasses, Vuzix Blade & Vuzix Shield, Rokid Max e Xreal, che offrono fotocamere integrate, altoparlanti, streaming, IA, tra le altre funzionalità per i settori industriale, medico, informatico, aziendale e del gaming.

Anche i caschi intelligenti stanno guadagnando terreno non solo come protezione per la testa ma anche per fornire servizi intelligenti integrandosi con sensori elettronici, avvisi e dispositivi di comunicazione. I caschi sono anche oggetto di studio per trattare la depressione trasmettendo deboli impulsi elettrici al cervello.

Abbigliamento intelligente o E‑Textiles sono un altro tipo di indossabile che utilizza materiali intelligenti che rispondono a cambiamenti meccanici, termici e chimici. Gli E‑textiles possono anche percepire stimoli esterni dall’ambiente.

Nel campo degli E‑textiles, abbiamo le magliette intelligenti Hexoskin che monitorano frequenza cardiaca, ritmo respiratorio e movimento per atleti e uso medico. Questi indumenti lavabili forniscono dati continui su cuore, polmoni, attività, sonno, report ECG e ventilazione respiratoria. Hexoskin offre abbigliamento intelligente non invasivo e confortevole per uomini, donne e bambini, con ulteriori caratteristiche anti‑odore e protezione UV. Per quanto riguarda la tecnologia, offrono fino a oltre 36 ore di autonomia, più di 100 giorni di registrazione e connettività Bluetooth.

Oltre a magliette, calzini, pigiami, giacche e scarpe stanno diventando intelligenti. Quindi, il mondo dei dispositivi indossabili è chiaramente in rapida crescita poiché le persone danno sempre più priorità alla loro salute e benessere. Questa crescita è ulteriormente alimentata dalla facilità di disponibilità dei dati in tempo reale, dai progressi nella tecnologia dei sensori e dall’espansione delle applicazioni sanitarie.

Nanoparticelle stampabili per biosensori indossabili

Come i biosensori indossabili aprono nuove frontiere nella medicina di precisione, ricercatori della Caltech hanno sviluppato una tecnica che consente la produzione di massa di sensori di sudore indossabili a lunga durata.

Con questa tecnologia, che consiste nella stampa a getto d’inchiostro di array di nanoparticelle speciali, la ricerca mira a risolvere le sfide della scalabilità della produzione, dell’instabilità operativa e del numero limitato di bersagli rilevabili che ostacolano l’adozione diffusa di biosensori indossabili e impiantabili.

Le nanoparticelle core‑shell stampabili sono dotate di doppia funzionalità integrata — un guscio di polimero impresso molecularmente per riconoscere un bersaglio specifico e un nucleo di nichel esacianoferrato (NiHCF) per stabilizzare la trasduzione elettrochimica. 

Utilizzando una formulazione ottimizzata di inchiostro di nanoparticelle tramite stampa a getto d’inchiostro, gli ingegneri della Caltech hanno dimostrato la possibilità di produrre in massa biosensori flessibili e robusti che possono monitorare continuamente un ampio spettro di biomarcatori. Questo include farmaci, vitamine, aminoacidi e metaboliti.

Il team ha inoltre dimostrato l’efficacia di questi biomarcatori nel monitoraggio metabolico indossabile di creatinina, triptofano e vitamina C in individui affetti da COVID‑19 a lungo termine. 

Hanno anche utilizzato con successo le nuove nanoparticelle e validato l’utilità dei biomarcatori nel monitoraggio terapeutico dei farmaci per pazienti oncologici così come in un modello murino, fornendo analisi in tempo reale di immunosoppressori come acido micofenolico, ciclofosfamide e busulfan.

Ma non è tutto ciò che è possibile con questa tecnologia.

“Ci sono molte condizioni croniche e i loro biomarcatori che questi sensori ora ci permettono di monitorare continuamente e in modo non invasivo.”

– Wei Gao, autore corrispondente e professore di ingegneria medica nel Dipartimento di Ingegneria Medica Andrew e Peggy Cherng alla Caltech

Secondo il paper published¹ nella rivista Nature Materials che descrive la tecnica, i cubi di nanoparticelle si formano in una soluzione che include la molecola specifica, come la vitamina C, che i ricercatori desiderano tracciare.

La molecola bersaglio viene quindi intrappolata all’interno dei cubi di nanoparticelle mentre i monomeri si assemblano spontaneamente per formare un polimero. Un solvente viene poi utilizzato per rimuovere le molecole bersaglio, lasciando specificamente un guscio di polimero impresso molecularmente.

Questo guscio è punteggiato da fori che hanno forme che corrispondono esattamente a quella della molecola bersaglio, proprio come le anticorpi artificiali identificano selettivamente le forme di specifiche molecole.

È notevole che i ricercatori nel nuovo studio combinano i polimeri appositamente formati con un nucleo di nanoparticelle costituito dal composto chimico NiHCF. Il composto è noto per le sue proprietà uniche, che includono buona conduttività elettrica, alta stabilità termica, capacità di subire reazioni redox reversibili e comportamento magnetico. Queste proprietà rendono NiHCF un materiale promettente per supporti di memorizzazione magnetica, catalisi e dispositivi di accumulo di energia elettrochimica come batterie, nonché sensori e biosensori.

Inoltre, NiHCF può anche essere ossidato sotto una tensione elettrica applicata quando entra in contatto con fluidi corporei come il sudore.

In questo studio, il fluido entrerà in contatto con il nucleo NiHCF solo se i fori a forma di molecola bersaglio sono liberi, il che genererà un segnale elettrico.

Tuttavia, quando le molecole incontrano il polimero, scivolano in quei fori. Questo impedisce ai fluidi corporei come il sudore di entrare in contatto con il nucleo, indebolendo così il segnale elettrico. Quindi, la forza del segnale elettrico rivela quanto della molecola bersaglio, come la vitamina C, sia presente. Gao ha spiegato:

“Questo nucleo è fondamentale. Il nucleo di nichel esacianoferrato è altamente stabile, anche nei fluidi biologici, rendendo questi sensori ideali per misurazioni a lungo termine.”

Le nanoparticelle core‑shell create sono altamente flessibili. Vengono utilizzate per stampare array di sensori che calcolano la quantità di ormoni, aminoacidi, farmaci o metaboliti nel sudore o nei fluidi corporei semplicemente usando più “inchiostri” di nanoparticelle in un unico array. 

Ad esempio, i ricercatori hanno anche stampato nanoparticelle che legano la creatinina, il biomarcatore comunemente usato, per esaminare la funzionalità renale. Il team ha combinato queste nanoparticelle, insieme a quelle che legano la vitamina C e quelle che legano il triptofano, in un unico sensore, che è stato poi prodotto in massa per studiare pazienti con COVID a lungo termine.

I sensori indossabili basati su nanoparticelle sono stati stampati anche per tre specifici ma diversi farmaci anticancro su sensori individuali che i ricercatori hanno testato presso il centro di ricerca e trattamento del cancro nella City of Hope.

Secondo Gao, che è anche Ronald e JoAnne Willens Scholar e Investigatore dell’Heritage Medical Research Institute:

“Dimostrando il potenziale di questa tecnologia, siamo stati in grado di monitorare a distanza la quantità di farmaci oncologici nel corpo in qualsiasi momento.”

Questo non solo indica la via per ottenere la personalizzazione della dose per il cancro ma anche per molte altre condizioni, ha aggiunto.

In aggiunta a tutto ciò, il team ha dimostrato che le nanoparticelle possono persino essere utilizzate per stampare sensori impiantabili appena sotto la pelle al fine di monitorare accuratamente i livelli di farmaci nel corpo.

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Azienda leader nella tecnologia indossabile

Ora, diamo un’occhiata al nome più prominente nel settore della tecnologia indossabile che continua a fare progressi.

1. Apple

La più grande azienda al mondo per capitalizzazione di mercato, $3,63 trilioni, Apple (AAPL ) ha le sue azioni attualmente quotate a $241,53, in calo del 3,55% YTD. Il suo EPS (TTM) è 6,96, e il rapporto P/E (TTM) è 34,69. Il rendimento del dividendo pagato da Apple è 0,41%.

Apple è entrata nel settore dei dispositivi indossabili oltre un decennio fa lanciando l’Apple Watch Series 0, il primo della linea. Sebbene il settore degli smartwatch fosse già affollato al tempo, Apple è riuscita comunque a stabilire la sua presenza nonostante l’ingresso tardivo. 

Negli anni, Apple è riuscita a catturare una buona fetta di questo mercato, ma negli ultimi anni ha registrato un calo. Nel 2020, la sua quota di mercato superava il 34%, scendendo a circa il 30% l’anno successivo.

Secondo IDC, la quota di mercato di Apple dal Q1 al Q3 del 2024 era del 16,2% con 22,5 milioni di spedizioni, in calo rispetto al 18,4% nello stesso periodo dell’anno scorso. Con questo, Apple ora si colloca al secondo posto mentre Huawei supera con 23,6 milioni di spedizioni e cattura una quota di mercato del 16,9%. Questi due sono seguiti da Xiaomi, Samsung e BBK. Quindi, mentre Apple mantiene ancora una forte presenza, ora affronta una concorrenza agguerrita.

Nel mezzo di tutto ciò, Apple continua a lavorare sulla sua tecnologia indossabile, ampliando ora le sue ambizioni di ricerca sanitaria per utilizzare i suoi dispositivi in uno studio volto a monitorare i cambiamenti nella salute dei partecipanti. L’azienda mira a sfruttare i dispositivi e le app che le persone usano quotidianamente per valutare le connessioni tra salute mentale e fisica così come i determinanti sociali e come questi influiscono sul benessere complessivo di una persona.

Questo serve ad aiutarli a identificare segnali nei dati di salute di una persona per potenzialmente rilevare una condizione di salute. Lo studio Apple Health sarà reso disponibile nell’app Ricerca, che ha aiutato il team a ottenere “insight preziosi” per sviluppare nuovi strumenti come Walking Steadiness su iPhone e l’app Vitals su Apple Watch.

L’anno scorso, l’azienda ha anche iniziato a esplorare l’idea di sviluppare nuovi dispositivi indossabili come occhiali intelligenti, un anello fitness e persino AirPods con fotocamere.

Un anello intelligente da indossare sul dito è stato inizialmente consigliato dal gruppo di design qualche anno fa, che avrebbe preso le funzionalità di monitoraggio della salute dall’Apple Watch, ma più recentemente, gli ingegneri hanno discusso della possibilità di occhiali intelligenti che potrebbero fornire audio, utilizzare una fotocamera e IA per identificare oggetti, e infine fungere da trampolino di lancio per l’ambizione di Apple di creare veri occhiali AR da indossare tutto il giorno.

L’azienda ha anche lavorato intensamente su AirPods, visore Vision Pro, cuffie Beats, altoparlante HomePod e Apple Watch per potenziare il suo business dei dispositivi indossabili. 

Interessante, Apple ha brevettato una nuova tecnologia per smartwatch che potrebbe consentire il monitoraggio della pressione sanguigna sull’Apple Watch senza fare affidamento su sensori ottici. Per ora, l’Apple Watch offre app potenti come notifiche di frequenza cardiaca e ritmo irregolare, storia AFib, app ECG, notifiche di bassa forma cardio, livello di ossigeno nel sangue e rilevamento cadute per aiutare le persone a vivere una vita sana.

Ma non è tutto. Gli auricolari AirPods Pro 2 di Apple offrono anche la funzionalità di apparecchi acustici da banco. Sebbene il test dell’udito sia sorprendentemente accurato, è adatto per persone con perdita uditiva solo da lieve a moderata.

Ora, la salute finanziaria dell’azienda — Apple ha recentemente reported i risultati finanziari per il suo Q1 fiscale 2025 terminato il 28 dicembre 2024. In questo “miglior trimestre di sempre”, Apple ha registrato $124,3 miliardi di fatturato e utili per azione diluiti di $2,40, in crescita del 4% e del 10% YoY rispettivamente. 

Il fatturato comprende $69,14 miliardi da iPhone, $8,99 miliardi da prodotti Mac, $8,09 miliardi da iPad e $11,75 miliardi da altri prodotti, chiamati anche Wearables, che includono Apple Watch, AirPods, Beats e vendite di Vision Pro. La categoria wearables ha registrato un calo del 2% su base annua. 

Nel frattempo, $26,34 miliardi sono stati spesi per i servizi, che includono abbonamenti, garanzie e accordi di licenza. Nella conference call sugli utili, il CEO Tim Cook ha dichiarato che l’azienda ha più di un miliardo di abbonamenti. Questo include abbonamenti per servizi come Apple TV+ e iCloud e abbonamenti a app di terze parti tramite l’App Store.

I solidi margini operativi dell’azienda hanno anche spinto il suo EPS a un nuovo massimo storico con una crescita a doppia cifra, il che ha permesso al gigante tecnologico di restituire oltre $30 miliardi agli azionisti, con il consiglio di amministrazione che ha dichiarato un dividendo in contanti di $0,25 per azione.

La base installata di dispositivi attivi di Apple ha raggiunto un nuovo massimo su tutti i prodotti e segmenti geografici. Tuttavia, le vendite dei suoi dispositivi sono diminuite dell’11,1% in Cina. Le vendite di iPhone, tuttavia, sono state più forti nelle regioni dove è disponibile Apple Intelligence, ha detto Cook.

“Grazie alla potenza di Apple silicon, stiamo sbloccando nuove possibilità per i nostri utenti con Apple Intelligence, che rende le app e le esperienze ancora migliori e più personali.”

– Cook

Quindi, Apple sta ora collaborando con Alibaba e Baidu per portare funzionalità AI ai suoi iPhone in Cina entro la metà di quest’anno.

Conclusione

La personalizzazione dell’assistenza sanitaria è il futuro della medicina. Questo, dopotutto, può migliorare i risultati dei pazienti, ridurre il carico della malattia e abbassare i costi sanitari, ma naturalmente significa conoscere esattamente ciò di cui una persona ha bisogno e poi fornire la giusta combinazione di farmaci, nutrienti e metaboliti.

Per questo, abbiamo prima bisogno di un modo per misurare e monitorare continuamente determinati biomarcatori della salute, dove la tecnologia indossabile può essere di immenso aiuto, come ha dimostrato il nuovo studio. 

Sviluppando nanoparticelle core‑shell stampabili, i ricercatori hanno compiuto un passo importante verso la produzione di massa di biosensori indossabili a lunga durata. La versatilità di questi sensori, dal monitoraggio di condizioni croniche alla personalizzazione delle dosi di farmaci per pazienti oncologici, apre nuove porte nella medicina di precisione.

Tali progressi tecnologici possono offrire sia ai pazienti sia ai fornitori di assistenza sanitaria approfondimenti continui e individualizzati sulla salute e avvicinarci a un futuro in cui la gestione della salute personalizzata e guidata dai dati è integrata senza soluzione di continuità nella nostra vita quotidiana!

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