Ett genombrott inom medicinsk övervakning: Nästa generations medicinska stabilisering med nanopartikelbaserade bärbara biosensorer

Mot bakgrund av en åldrande befolkning, kroniska sjukdomar och en växande population genomgår sjukvårdssystemet en viktig omvandling.

Sjukvården blir helt enkelt allt mer individcentrerad. Denna trend drivs av bärbara enheter, som möjliggör kontinuerlig mätning av kritiska biomarkörer för medicinsk diagnostik, övervakning av sjukdomstillstånd, hälsa och omgivning samt utvärdering av biologiska vätskor som svett, saliv, tårar och blod.

Dessa bärbara enheter är portabla elektroniska enheter som använder sensorer för att samla in realtidsdata om olika fysiologiska parametrar, vilket i sin tur möjliggör kontinuerlig övervakning av aktivitetsnivåer och hälsa.

Viktigare är att dessa biosensorer hjälper vanliga personer att övervaka sin egen hälsa var som helst och när som helst. I synnerhet kan dessa enheter hjälpa patienter med kroniska sjukdomar att minska antalet sjukhusinläggningar och spara kostnader. Sammantaget kan människor bättre hantera sina liv och sin hälsa med bärbara enheter.

Samtidigt kan läkare upptäcka potentiella hälsoproblem tidigt, reagera omedelbart och erbjuda personliga vårdplaner, medan sjukhus kan spara på utrustningskostnader.

Beroende på vilka parametrar som mäts kan bärbara biosensorer vara av olika typer, såsom optiska, elektrokemiska, elektromechaniska, kemiska och optoelektroniska sensorer. Dessa enheter kan bäras på människokroppen eller implanteras i den för att övervaka biologiska signaler genom icke-invasiva mätningar av biokemiska markörer.

När det gäller deras design eller nytta kan bärbara enheter klassificeras på några olika sätt.

Till att börja med bärs handledsmonterade bärbara enheter (WWD), som namnet antyder, vanligtvis på handleden. Smartklockor eller fitnessband är exempel på dessa wearables, som har utvecklats från enkla accelerometerbaserade enheter till att nu inkludera biometrisk avkänning som icke-invasiva mänskliga övervakningsenheter.

Handledsband, i synnerhet, är utformade för att spåra människors hälsa och träningsaktiviteter. De har ganska begränsade funktioner och kan ibland sakna en display för aviseringar. Fitbit, Amazon (AMZN ) Halo Band och Huawei Talkband B3 är populära exempel.

Handledsklockor eller smartklockor är en av de mest populära typerna av bärbara enheter, som övervakar specifika mänskliga fysiologiska signaler och biomekanik. De använder sensorer och batterier för att samla information och överföra den till smarttelefonen för analys och läsbarhet. Några populära exempel på smartklockor är Apple Watch, Samsung Galaxy Watch och Garmin Fenix. De möjliggör spårning av mätvärden som EKG, blodsyre, SpO2, stress, sömn och hjärtfrekvens, bland annat.

Sedan finns det plåster för realtidsanalys av kroppsvätskor som svett och temperatur. Detta inkluderar glukosmätande plåster som Abbott FreeStyle Libre och Dexcom G7, Gatorade Gx Sweat Patch för att analysera svettens sammansättning och ge vätskerekommendationer, samt TempTraq för kontinuerlig temperaturövervakning.

Förutom händerna är huvudet en annan kroppsdel där dessa enheter bärs. Huvudmonterade verktyg som hjälmar, glasögon och kepsar är visuella enheter som erbjuder händer‑fria funktioner.

När det gäller smarta glasögon har vi sett Ray‑Ban Meta Smart Glasses, Vuzix Blade & Vuzix Shield, Rokid Max och Xreal som erbjuder inbyggda kameror, högtalare, streaming, AI och andra funktioner för industriella, medicinska, datortekniska, företags- och spelområden.

Även smarta hjälmar får fäste, inte bara som skyddsutrustning utan också för att erbjuda intelligenta tjänster genom integration med elektronisk avkänning, larm och kommunikationsenheter. Hjälmar undersöks även för att behandla depression genom att sända svaga elektriska pulser till hjärnan.

Smartkläder eller E-Textiles är ännu en bärbar enhet som använder smarta material som svarar på mekaniska, termiska och kemiska förändringar. E‑textilier kan också känna av externa stimuli från omgivningen.

Inom området E‑textilier har vi Hexoskin smarta skjortor som spårar hjärtfrekvens, andningsfrekvens och rörelse för idrottare och medicinskt bruk. Dessa tvättbara plagg ger kontinuerlig data om hjärt- och lungfunktion, aktivitet, sömn, elektrokardiografisk rapportering och andningsventilation. Hexoskin erbjuder icke‑invasiva och bekväma smarta kläder för män, kvinnor och barn, med extra anti‑odör‑ och UV‑skyddsfunktioner. När det gäller teknik erbjuder de upp till 36+ timmars batteritid, över 100 dagars inspelning och Bluetooth‑anslutning.

Förutom skjortor blir även strumpor, sovkläder, jackor och skor smarta. Så världen av bärbara enheter växer tydligt snabbt när människor i allt högre grad prioriterar sin hälsa och sitt välbefinnande. Denna tillväxt drivs ytterligare av den enkla tillgången till realtidsdata, framsteg inom sensorteknik och expanderande vårdapplikationer.

Utskrivbara nanopartiklar för bärbara biosensorer

När bärbara biosensorer banar nya vägar inom precisionsmedicin har forskare från Caltech utvecklat en teknik som möjliggör massproduktion av långvariga bärbara svett‑sensorer.

Med denna teknik, som innebär bläckstråleskrivning av matriser av speciella nanopartiklar, syftar forskningen till att lösa utmaningarna med produktionsskala, operativ instabilitet och ett begränsat antal detekterbara mål som hindrar den breda antagandet av bärbara och implanterbara biosensorer.

De utskrivbara kärna‑skal‑nanopartiklarna har inbyggd dubbel funktion – ett molekylärt avtryckt polymerskal för att känna igen ett specifikt mål och en kärna av nickelhexacyanoferrat (NiHCF) för att stabilisera elektrokemisk transduktion.

Genom att använda en optimerad nanopartikelfärgsformulering via bläckstråleskrivning visade Caltech‑ingenjörer möjligheten att massproducera flexibla och robusta biosensorer som kan kontinuerligt övervaka ett brett spektrum av biomarkörer. Detta inkluderar läkemedel, vitaminer, aminosyror och metaboliter.

Teamet demonstrerade ytterligare effektiviteten av dessa biomarkörer i bärbar metabolisk övervakning av kreatinin, tryptofan och vitamin C hos individer som lider av långvarig COVID‑19.

De använde också framgångsrikt de nya nanopartiklarna och validerade nyttan av biomarkörerna i terapeutisk läkemedelsövervakning för cancerpatienter samt i en musmodell genom att tillhandahålla realtidsanalys av immunosuppressiva medel som mykofenolsyra, cyklofosfamid och busulfan.

Men detta är inte allt som är möjligt med tekniken.

“Det finns många kroniska tillstånd och deras biomarkörer som dessa sensorer nu ger oss möjlighet att övervaka kontinuerligt och icke‑invasivt.”

– Wei Gao, korresponderande författare och professor i medicinsk teknik vid Andrew and Peggy Cherng Department of Medical Engineering på Caltech

Enligt den publicerade artikeln¹ i tidskriften Nature Materials som beskriver tekniken bildas nanopartikelkuber i en lösning som innehåller den specifika molekylen, såsom vitamin C, som forskarna vill spåra.

Målmolekylen fångas sedan inuti de kubformade nanopartiklarna när monomerer spontant samlas för att bilda ett polymer. Ett lösningsmedel används sedan för att avlägsna mål‑molekylerna, vilket specifikt lämnar kvar ett molekylärt avtryckt polymerskal.

Detta skal är prickat med hål som har former som exakt matchar mål‑molekylens form, likt hur artificiella antikroppar selektivt identifierar formerna av endast specifika molekyler.

Noterbart kombinerar forskarna i den nya studien de speciellt bildade polymererna med en nanopartikelkärna av den kemiska föreningen NiHCF. Föreningen är känd för sina unika egenskaper, som inkluderar god elektrisk ledningsförmåga, hög termisk stabilitet, förmåga att genomgå reversibla redoxreaktioner och magnetiskt beteende. Dessa egenskaper gör NiHCF till ett lovande material för magnetiska lagringsmedier, katalys och elektrokemiska energilagringsenheter som batterier, samt sensorer och biosensorer.

Viktigare är att NiHCF också kan oxideras under en applicerad elektrisk spänning när den kommer i kontakt med kroppsvätskor som svett.

I denna studie kommer vätska att komma i kontakt med NiHCF‑kärnan endast om hålen i form av mål‑molekylen är obeväpnade, vilket genererar en elektrisk signal.

Men när molekylerna möter polymeren glider de in i dessa hål. Detta förhindrar att kroppsvätskor som svett kommer i kontakt med kärnan, vilket i sin tur försvagar den elektriska signalen. Så hur stark den elektriska signalen är avslöjar hur mycket den riktade molekylen, som vitamin C, finns närvarande. Gao förklarade:

“Denna kärna är kritisk. Nickelhexacyanoferrat‑kärnan är mycket stabil, även i biologiska vätskor, vilket gör dessa sensorer idealiska för långsiktiga mätningar.”

De skapade kärna‑skal‑nanopartiklarna är mycket flexibla. De används för att skriva ut sensorarrayer som beräknar mängden hormoner, aminosyror, läkemedel eller metaboliter i svett eller kroppsvätskor genom att bara använda flera nanopartikel‑”bläck” i en enda array.

Till exempel skrev forskarna också ut nanopartiklar som binder kreatinin, den vanligt använda biomarkören, för att undersöka hur väl njurarna fungerar. Teamet kombinerade dessa nanopartiklar, tillsammans med de som binder vitamin C och de som binder tryptofan, i en enda sensor, som sedan massproducerades för att studera patienter med lång COVID.

Nanopartikelbaserade bärbara sensorer skrev också ut för tre specifika men olika anticancermediciner på individuella sensorer som forskarna testade vid Cancerforsknings- och behandlingscentret i City of Hope.

Enligt Gao, som också är Ronald och JoAnne Willens Scholar och en forskare vid Heritage Medical Research Institute:

“Genom att demonstrera potentialen i denna teknik kunde vi fjärrövervaka mängden cancermediciner i kroppen när som helst.”

Detta pekar inte bara på vägen till dospersonalisering för cancer utan även för många andra tillstånd, tillade han.

Utöver allt detta demonstrerade teamet att nanopartiklarna även kan användas för att skriva ut sensorer som kan implanteras precis under huden för att exakt övervaka läkemedelsnivåer i kroppen.

Klicka här för att lära dig hur innovativ hälsoteknik är på uppgång med avancerade wearables.

Företaget som leder bärbar teknik

Låt oss nu titta på det mest framstående namnet inom sektorn för bärbar teknik som fortsätter att göra framsteg.

1. Apple

Världens största företag med ett marknadsvärde på 3,63 biljoner dollar, Apple (AAPL ) har för närvarande sina aktier handlade till 241,53 dollar, ner 3,55 % år‑till‑datum. Dess EPS (TTM) är 6,96 och P/E‑kvoten (TTM) är 34,69. Utdelningsavkastningen som Apple betalar är 0,41 %.

Apple gick in i bärbar‑sektorn för mer än ett decennium sedan genom att lansera Apple Watch Series 0, den första i serien. Trots att smartwatch‑marknaden redan var trång på den tiden lyckades Apple ändå etablera sin närvaro trots den sena starten.

Genom åren har Apple kunnat ta en betydande del av denna marknad, men de senaste åren har de sett en nedgång. År 2020 var deras marknadsandel över 34 %, vilket föll till cirka 30 % året därpå.

Enligt IDC var Apples marknadsandel från Q1 till Q3 2024 16,2 % då de registrerade 22,5 miljoner leveranser, vilket föll från 18,4 % samma period förra året. Med detta ligger Apple nu på andra plats då Huawei tar ledningen med 23,6 miljoner leveranser och en marknadsandel på 16,9 %. Dessa två följs av Xiaomi, Samsung och BBK. Så, även om Apple fortfarande har en stark närvaro, möter de nu hård konkurrens.

Mitt i allt detta fortsätter Apple att arbeta med sin bärbara teknik och breddar nu sina hälsoforskningsambitioner för att använda sina enheter i en studie som övervakar förändringar i deltagarnas hälsa. Företaget syftar till att utnyttja de enheter och appar som människor använder dagligen för att utvärdera sambanden mellan mental och fysisk hälsa samt sociala determinanter och hur de påverkar en persons totala välbefinnande, sade Cook.

Detta är för att hjälpa dem att identifiera signaler i en persons hälsodata för potentiellt att upptäcka ett hälsotillstånd. Apple Health Study kommer att göras tillgänglig i Research‑appen, vilket har hjälpt teamet att få “värdefulla insikter” för att utveckla nya verktyg som Walking Steadiness på iPhone och Vitals‑appen på Apple Watch.

Förra året började företaget också utforska idén att utveckla nya bärbara enheter som smarta glasögon, en fitness‑ring och till och med AirPods med kameror.

En smart ring som ska bäras på fingret rekommenderades ursprungligen av designgruppen för några år sedan och skulle ta hälsospårningsfunktioner från Apple Watch, men nyligen har ingenjörer diskuterat möjligheten med smarta glasögon som kan erbjuda ljud, använda en kamera och AI för att identifiera saker, och i slutändan fungera som en språngbräda för Apples ambition att skapa riktiga AR‑glasögon som kan bäras hela dagen.

Företaget har också arbetat intensivt med AirPods‑hörlurar, Vision Pro‑headset, Beats‑hörlurar, HomePod‑högtalare och Apple Watch för att stärka sin bärbara enhetsverksamhet.

Intressant nog har Apple patenterat en ny smartwatch‑teknik som kan möjliggöra blodtrycksövervakning på Apple Watch utan att förlita sig på optiska sensorer. För närvarande erbjuder Apple Watch kraftfulla appar som hjärtfrekvens‑ och oregelbunden rytm‑aviseringar, AFib‑historik, EKG‑app, aviseringar om låg kardiovaskulär kondition, blodsyrenivå och fall‑detektering för att hjälpa människor att leva ett hälsosamt liv.

Men detta är inte allt. Apples AirPods Pro 2‑hörlurar erbjuder även funktionaliteten hos receptfria hörapparater. Även om hörseltestet är imponerande exakt, är det lämpligt för personer med endast mild till måttlig hörselnedsättning.

Nu, företagets finansiella hälsa — Apple rapporterade nyligen de finansiella resultaten för sitt räkenskapsår 2025 Q1 som avslutades den 28 december 2024. I detta “bästa kvartal någonsin” hade Apple 124,3 miljarder dollar i intäkter och ett utspätt vinst per aktie på 2,40 dollar, upp 4 % respektive 10 % år‑till‑år.

Intäkterna inkluderade 69,14 miljarder dollar från iPhones, 8,99 miljarder dollar från Mac‑produkter, 8,09 miljarder dollar från iPads och 11,75 miljarder dollar från andra produkter, även kallade Wearables, som inkluderar Apple Watch, AirPods, Beats och Vision Pro‑försäljning. Wearables‑kategorin såg en nedgång på 2 % jämfört med föregående år.

Samtidigt spenderades 26,34 miljarder dollar på tjänster, vilket inkluderade prenumerationer, garantier och licensavtal. I resultatpresentationen sade VD Tim Cook att företaget hade mer än en miljard prenumerationer. Detta inkluderar prenumerationer på tjänster som Apple TV+ och iCloud samt prenumerationer på tredjepartsappar via App Store.

Företagets starka rörelsemarginaler skickade även dess EPS till en ny rekordnivå med tvåsiffrig tillväxt, vilket gjorde det möjligt för teknikjätten att återbetala över 30 miljarder dollar till sina aktieägare, med styrelsen som deklarerade en kontantutdelning på 0,25 dollar per aktie.

Apples installerade bas av aktiva enheter nådde också en ny toppnivå över alla produkter och geografiska segment. Dock minskade dess enhetsförsäljning med 11,1 % i Kina. iPhone‑försäljningen var dock starkare i regioner där Apple Intelligence är tillgängligt, sade Cook.

“Genom kraften i Apple silicon öppnar vi nya möjligheter för våra användare med Apple Intelligence, vilket gör appar och upplevelser ännu bättre och mer personliga.”

– Cook

Så, Apple arbetar nu med Alibaba och Baidu för att införa AI‑funktioner i sina iPhones i Kina till mitten av detta år.

Slutsats

Personaliseringen av vården är framtiden för medicin. Detta kan förbättra patientresultat, minska sjukdomsbördan och sänka vårdkostnaderna, men naturligtvis innebär det att veta exakt vad man behöver och sedan leverera rätt blandning av läkemedel, näringsämnen och metaboliter.

För detta behöver vi först ett sätt att kontinuerligt mäta och övervaka vissa hälsobiomarkörer, där bärbar teknik kan vara till enorm hjälp, som den nya studien har demonstrerat.

Genom att utveckla utskrivbara kärna‑skal‑nanopartiklar har forskarna gjort ett stort steg mot massproduktion av långvariga, bärbara biosensorer. Mångsidigheten hos dessa sensorer, från övervakning av kroniska tillstånd till personalisering av läkemedelsdosering för cancerpatienter, öppnar nya dörrar inom precisionsmedicin.

Sådana tekniska framsteg kan erbjuda både patienter och vårdgivare kontinuerliga och individuella hälsoinsikter och föra oss närmare en framtid där personlig, datadriven hälsomanagement sömlöst integreras i våra dagliga liv!

Klicka här för en lista över de främsta bärbara hälso‑spårningsföretagen.