Le Batterie Interne Potrebbero Alimentare i Wearable di Prossima Generazione e Persino Combattere il Cancro?

La tecnologia indossabile sta rimodellando la nostra vita quotidiana da tempo, e continuerà a crescere, come dimostra il mercato dei dispositivi indossabili, valutato a 61,30 miliardi di dollari nel 2022. Solo in quell’anno, oltre 490 milioni di unità indossabili sono state spedite ai consumatori. 

Guidati dall’innovazione, i wearable stanno plasmando tendenze che attraversano settori dalla sostenibilità ambientale all’assistenza sanitaria, dove tali elettroniche hanno trasformato il monitoraggio della salute, le terapie, la diagnostica delle malattie e la guarigione delle ferite. Per funzionare in modo affidabile, questi dispositivi dipendono da batterie che non solo sono biocompatibili ma hanno anche capacità sufficienti.

La maggior parte dei dispositivi impiantabili è alimentata da batterie tradizionali come le batterie Ag-Zn (Argento‑Zinco) e Li-I2 (Litio‑Iodio). Tuttavia, queste batterie convenzionali hanno capacità limitata e rappresentano un rischio di sicurezza a causa di perdite di elettroliti organici.  

Sigillate e utilizzate per alimentare dispositivi impiantabili, la capacità delle batterie Ag‑Zn e Li‑I2 è limitata dalla loro massa, il che ne restringe la durata. È qui che un nuovo studio propone di utilizzare componenti che gli organismi viventi contengono naturalmente. Questi componenti includono sudore, enzimi, glucosio e ossigeno disciolto, che possono essere impiegati come fonti energetiche continue per le batterie.

L’uso di componenti attivi come O2 e glucosio come catodi/anodi, ottenibili continuamente attraverso il metabolismo, mostra buone prestazioni elettrochimiche sia in vitro che in vivo. 

Pubblicato su Cell Press, lo studio propone batterie metal‑O2, che utilizzeranno O2 come componente attivo nel catodo e saranno assemblate con un anodo metallico. In questo modo, forniranno densità energetiche estremamente elevate, 5‑10 volte superiori rispetto alle batterie impiantabili attualmente disponibili. 

Teoricamente, le batterie Li‑O2 e Sodio‑ossigeno (Na‑O2) offrono densità energetiche rispettivamente di 3.458 e 1.605 Wh/kg. Queste cifre superano di gran lunga quelle delle attuali batterie al litio‑ione.

Lo studio è stato condotto da Yang Lv, Xizheng Liu, Jiucong Liu e Yi Ding, tutti affiliati al Laboratorio di Materiali Porosi Funzionali Avanzati, Istituto per i Nuovi Materiali Energetici e Tecnologie a Basso Impatto di Carbonio, Scuola di Scienza e Ingegneria dei Materiali, Università Tecnica di Tianjin, Cina. 

Altri ricercatori includono Shuang Wu e Pingli Wu del College of Chemistry and Materials Science, Institute of Life Science and Green Development, Hebei University, Cina; Shuangyong Sun della School of Pharmacy, Tianjin Medical University; e Yonggang Wang del Department of Chemistry e Shanghai Key Laboratory of Molecular Catalysis and Innovative Materials, Institute of New Energy, iChEM, Fudan University, Cina.

Lo studio ha ricevuto supporto finanziario dalla National Natural Science Foundation of China, dal National Key Research and Development Program of China e dal National Science Fund for Distinguished Young Scholars.

Batteria Na‑O2 Impiantabile e Biocompatibile

L’ossigeno è essenziale per la vita e onnipresente nei tessuti viventi. Allo stesso modo, il sodio, un altro elemento essenziale, è ampiamente presente nei nostri corpi sotto forma di Na+. Questa ubiquità rende le batterie metal‑O2 una prospettiva promettente per fonti di energia costantemente rifornite. 

Mentre il sodio è stato sviluppato come anodo promettente per batterie ricaricabili, le batterie Na‑O2 sono particolarmente popolari grazie al loro basso costo, alle elevate densità energetiche teoriche e al potenziale utilizzo nelle reti intelligenti e nell’elettronica portatile. Inoltre, il prodotto di scarica delle batterie Na‑O2 può essere facilmente metabolizzato nel fegato e nei reni, aumentando il loro fascino.

In questo modo, le batterie Na‑O2 possono soddisfare i requisiti di fornitura continua di materie prime e di metabolismo del prodotto in vivo.

Pertanto, non è la prima volta che i ricercatori si concentrano sulle batterie Na‑O2. Nel 2018, uno studio ha evidenziato il loro potenziale grazie all’alta densità energetica teorica e alle risorse abbondanti, pur segnalando la loro cinetica lenta a causa della formazione di prodotti di scarica di grandi dimensioni con forme cubiche o irregolari. 

Un altro articolo di Hossein Yadegari e Xueliang Sun del Department of Mechanical and Materials Engineering dell’Università dell’Ontario Occidentale ha osservato che le batterie Na‑O2 sono emerse come alternativa energeticamente efficiente alle batterie Li‑O2. Si basano sulla chimica del superossido reversibile, con le loro celle che mostrano una minore sovratensione di carica rispetto alle controparti al litio, il che si traduce in elevate prestazioni di ciclaggio. 

Tuttavia, ha sottolineato che l’interazione tra la coppia ionica è insufficiente a prevenire l’attacco nucleofilo dell’O2 contro l’elettrolita della cella. Inoltre, la stabilità intrinseca di NaO2 e la maggiore reattività chimica del Na metallico presentano sfide nello sviluppo delle batterie Na‑O2. Sebbene vi siano relativamente pochi rapporti su queste batterie, i significativi potenziali vantaggi delle batterie metal‑O2 impiantabili evidenziano l’importanza di affrontare le sfide esistenti.

Lo studio più recente evidenzia la necessità che le batterie utilizzate in vivo abbiano un’architettura aperta, garantendo l’adsorbimento dell’O2 dai fluidi corporei. Inoltre, sottolinea l’importanza di selezionare componenti della batteria che mostrino buona biocompatibilità per evitare rigetti e reazioni. Inoltre, a causa della loro elevata reattività, l’anodo a base di Na deve essere adeguatamente protetto. Il design della batteria deve inoltre essere flessibile per consentire un contatto stabile e intimo con i tessuti molli.

Di conseguenza, il team propone un nuovo design di batteria Na‑O2 che utilizza una lega stabile a base di Na (NaGaSn) come anodo (da dove l’elettricità entra) e un catodo in oro nanoporo (NPG) (dove l’elettricità esce), separati da una membrana a scambio ionico (Nafion).

Invece di utilizzare Na metallico puro, i ricercatori hanno scelto una lega ternaria NaGaSn per migliorare la sicurezza e le proprietà anticorrosive negli organismi viventi. Nel frattempo, l’NPG è stato impiegato come catodo nelle batterie metal‑air per la reazione di riduzione dell’ossigeno. Durante la scarica, l’O2 è fornito continuamente dai fluidi corporei e ridotto tramite la catalisi dell’NPG.

Risultati Promettenti, Applicazioni Potenziali 

Man mano che l’elettronica impiantabile guadagna sempre più terreno grazie al suo potenziale di rivoluzionare il monitoraggio sanitario personalizzato e la terapia di precisione, l’importanza delle batterie impiantabili cresce di conseguenza. Qui, l’uso di componenti attivi provenienti da organismi viventi può fornire fonti di energia a lungo termine, riducendo così la necessità di sostituire le batterie ripetutamente tramite interventi chirurgici, offrendo una soluzione più sostenibile a lungo termine. 

Lo studio ha sviluppato con successo una batteria Na‑O2 impiantabile e biocompatibile con una struttura a catodo aperto che funziona senza problemi. Nei ratti, la batteria laminata ha raggiunto una densità di potenza di 2,6 μW/cm² a 1,3 V, dimostrando eccellente biocompatibilità in vivo. 

I risultati non hanno mostrato infiammazioni significative attorno alle batterie impiantate. Inoltre, i capillari si rigenerano bene intorno al catodo, fornendo una fonte continua di O2 per la batteria. 

Nel frattempo, il catalizzatore del catodo NPG ha consentito alla batteria di raggiungere un’ottima stabilità, che, secondo lo studio, rende NPG la “scelta inevitabile” come catodo della batteria Na‑O2. La membrana PLCL ottenuta mediante elettrofilatura ha migliorato la biocompatibilità, e la sua struttura porosa, che funge da canale per il trasporto di massa ed elettrolita, ha permesso la permeazione del fluido corporeo e la diffusione dell’O2. 

Per quanto riguarda gli ioni Na+ e OH− prodotti durante il processo di scarica, essi sono entrati nel sangue senza causare disturbi dell’elettrolita, e il loro metabolismo nel corpo non ha provocato anomalie nel fegato e nei reni. 

I risultati dello studio hanno inoltre mostrato un potenziale promettente come fonte di energia per alimentare elettronica micro‑impantabile. Inoltre, il consumo di O2 dai fluidi corporei evidenzia le potenziali applicazioni della batteria Na‑O2 nei campi della ricerca biologica e medica. Secondo lo studio:

La nostra batteria Na‑O2 rivoluziona il concetto di batterie impiantabili; il consumo di O2 durante la scarica genera una funzione di deossigenazione, che offre anche un nuovo modo di combinare impianti bioelettronici e bioterapia per le malattie associate a ambienti anaerobici.

Quindi, la batteria Na‑O2 ha chiaramente un grande potenziale, ma non si limita solo ad alimentare i wearable; al contrario, può avere usi molto più ampi, inclusi applicazioni contro il cancro e il monitoraggio della guarigione delle ferite.

Lo studio ha inoltre osservato che demenza senile e cancro sono strettamente correlati ai livelli di ossigeno nei tessuti interessati. Una batteria auto‑ricaricante a base di acqua salata per la terapia antitumorale, che consuma O2, apre una nuova via per combinare impianti bioelettronici e bioterapia.

Il controllo preciso della concentrazione di O2 nella presente batteria dimostra potenziali capacità terapeutiche contro malattie causate da aggregazione di ossigeno o batteri patogeni. Inoltre, i catalizzatori nel catodo delle batterie Na‑O2 possono ridurre i radicali superossido che causano la demenza senile, evidenziando le loro potenziali applicazioni anche in questi settori.

Quindi, sebbene rimangano molte sfide da affrontare, la batteria Na‑O2 (Sodio‑Ossigeno) è “altamente promettente e può innescare una nuova rivoluzione nel campo dei dispositivi impiantabili, portando allo sviluppo di nuovi metodi per il trattamento di varie malattie”, afferma lo studio.

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Soluzioni Wearable Biotecnologiche in Sviluppo  

La tecnologia indossabile riguarda principalmente dispositivi elettronici indossati sul corpo per monitorare metriche. Oggi, questi dispositivi stanno avanzando in una vasta gamma di settori, dalla medicina, sport e fintech alla produzione e oltre.

Nel settore sportivo, i dispositivi indossabili forniscono agli atleti dati e feedback in tempo reale sulle loro prestazioni. Occhiali da sole intelligenti, calzature e abbigliamento utilizzano sensori per tracciare e monitorare frequenza cardiaca, passi e attività fisica, tra le varie altre metriche. Queste informazioni possono poi essere usate per migliorare aree specifiche e adeguare i piani di fitness e allenamento di conseguenza. 

Nel settore manifatturiero, questi dispositivi aiutano a garantire la sicurezza sul posto di lavoro fornendo avvisi in tempo reale e informazioni su situazioni potenzialmente pericolose. Inoltre, tracciando l’efficienza e la produttività dei lavoratori, aiutano a identificare aree di miglioramento e a effettuare adeguati aggiustamenti nei flussi di lavoro.

È però nel settore sanitario che la tecnologia indossabile, tramite dispositivi come smartwatch, tracker fitness, biosensori, monitor della pressione sanguigna e monitor ECG, sta davvero rivoluzionando le cose. 

I wearable consentono agli utenti di raccogliere i propri dati sanitari e, in base a questi, agire. I professionisti sanitari possono mitigare situazioni potenzialmente letali tramite il monitoraggio in tempo reale dei pazienti, reso semplice dai wearable. 

Questi dispositivi tracciano e monitorano i segni vitali e i dati sanitari, permettendo a medici e caregiver di individuare potenziali problemi di salute e fornire interventi tempestivi. Forniscono inoltre a ricercatori e medici preziose informazioni per avanzare nella ricerca clinica e sviluppare nuove terapie e trattamenti.

Nel frattempo, fornitori e assicuratori possono utilizzare questi dispositivi per offrire piani sanitari più accurati e personalizzati. Le organizzazioni li usano anche per incoraggiare abitudini salutari tra i dipendenti.

Nel settore biotecnologico, i wearable consentono il monitoraggio non invasivo dello stato fisiologico così come lo stato di malattia e l’esposizione a tossine. Possono essere di grande aiuto nella medicina di precisione permettendo a ricercatori e scienziati di identificare potenziali effetti collaterali. Inoltre, i wearable offrono informazioni sulle condizioni ambientali, come temperatura e qualità dell’aria, per studiarne gli effetti sui sistemi biologici. 

Ora, diamo un’occhiata ad alcune aziende che sviluppano soluzioni wearable. 

#1. Fitbit di proprietà di Google 

Questo è un nome piuttosto noto nell’industria dei wearable per i suoi tracker fitness che monitorano varie metriche di salute come i livelli di attività, la frequenza cardiaca e i pattern del sonno. Offre inoltre una piattaforma di coaching che fornisce soluzioni per ricercatori, sistemi sanitari e benessere aziendale. Fitbit è principalmente focalizzato sul fitness dei consumatori e ha collaborato con aziende sanitarie.

All’inizio di quest’anno, Fitbit di Google ha collaborato con la società di test di laboratorio Quest Diagnostics per studiare come le tecnologie wearable possano migliorare la salute metabolica e possibilmente prevenire malattie come ictus, diabete e demenza, tra le altre. Un’altra collaborazione è stata con ViviHealth per analisi predittive e prescrittive volte a trasformare i centri di salute comportamentale.

Google è una società con una capitalizzazione di mercato di 1,9 trilioni di dollari, con azioni a 153,16 $, in crescita del 9,5% YTD. Il fatturato dell’azienda (TTM) è stato di 307,39 miliardi di dollari, EPS (TTM) di 5,80 e P/E (TTM) di 26,41.

#2. Garmin 

L’azienda produce dispositivi wearable per attività fitness con funzionalità di monitoraggio della frequenza cardiaca, dei livelli di stress e persino dell’ossimetria. La sua serie Venu traccia i pattern corporei e la qualità del sonno e si collega a smartphone Android e Apple per maggiore comodità. Attraverso i suoi dispositivi, Garmin aiuta gli utenti a mantenere gli obiettivi di salute e mira a migliorare la salute della società, promuovere il benessere e ridurre il consumo sanitario.

L’azienda è nata tre decenni fa con i suoi prodotti GPS all’avanguardia per l’industria aeronautica, per poi espandersi nei mercati marittimo, automobilistico, outdoor e fitness. L’attuale focus è sull’espansione nel mercato indiano e sulla conquista della crescente base di consumatori della “classe media”.

#3. Abbott Laboratories

L’azienda sviluppa vari dispositivi medici, incluse tecnologie wearable. Questo include FreeStyle Libre, un piccolo sensore circolare applicato alla parte superiore del braccio che fornisce letture di glucosio in tempo reale per le persone con diabete, aiutandole a gestire la loro condizione più efficacemente. Il sensore di glucosio wearable leader di mercato conta oltre 5 milioni di utenti in tutto il mondo.

Oltre al diabete, l’azienda con sede in Illinois offre anche servizi nel movimento fisico e nella cardiologia. Con una capitalizzazione di mercato di 193,62 miliardi di dollari, le azioni dell’azienda sono quotate a 111,56 $, in crescita dell’1,53% YTD. Il fatturato dell’azienda (TTM) è stato di 40,10 miliardi di dollari, EPS (TTM) di 3,27 e P/E (TTM) di 34,10.

#4. BioTelemetry Inc. 

Ora parte di Philips, BioTelemetry fornisce sistemi di monitoraggio medico remoto, inclusi dispositivi wearable per il monitoraggio cardiaco. Questi sensori wearable tracciano in tempo reale le anomalie del ritmo cardiaco e altre metriche cardiache. Alla fine del 2020, Philips ha acquisito BioTelemetry in un accordo da 2,8 miliardi di dollari.

Conclusione

Il mercato delle tecnologie wearable è in forte espansione e si prevede supererà i 118 miliardi di dollari entro il 2026. Dopotutto, i wearable stanno entrando in una vasta gamma di settori, dal fitness, all’istruzione, all’intrattenimento, fino a viaggi e moda. 

Tuttavia, con l’aumento delle preoccupazioni per la salute, i wearable stanno creando un impatto significativo sulle nostre abitudini, salute e vita. Sebbene questi dispositivi diventino sempre più sofisticati, il problema della batteria è qualcosa che deve essere risolto. 

Come possiamo vedere, vengono condotti studi per prolungare la vita dei wearable e aiutarli a combattere malattie come il cancro. In futuro, i progressi tecnologici e la ricerca aiuteranno i wearable a fornire cure più personalizzate e a migliorare significativamente i risultati per i pazienti.

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