La crescente richiesta di monitorare in real-time la salute e di prevenire la diagnosi di alcune patologie ha portato la comunità scientifica, di anno in anno, a dedicarsi alla progettazione di dispositivi indossabili. Queste tecnologie intelligenti mirano a raccogliere in modo non invasivo dati da persone sane, consentendo quindi una medicina preventiva. Ne è un esempio il cerotto epidermico realizzato da un team di ingegneri dell’Università della California a San Diego: si tratta del primo dispositivo indossabile che monitora contemporaneamente i segnali cardiovascolari e i livelli biochimici di diverse sostanze (come lattato, caffeina, alcol e glucosio) nel corpo umano.
Un nuovo orizzonte per la medicina di precisione
Le più recenti indagini scientifiche hanno portato alla combinazione di sensori fisici e chimici in un unico dispositivo. Ne è un esempio il cerotto Chem Pys: si tratta di una tecnologia comprendente un biosensore a tre elettrodi per la rilevazione dei livelli di lattato, circondato da una coppia di elettrodi per il prelievo del segnale ECG.
Tuttavia mai fino a febbraio 2021 si era riuscito a realizzare un dispositivo indossabile – anch’esso un cerotto epidermico – per il monitoraggio simultaneo della pressione sanguigna e della frequenza cardiaca. Il tutto è avvenuto tramite l’utilizzo di trasduttori ad ultrasuoni per il monitoraggio cardiaco, e tramite sensori elettrochimici per la raccolta dati sui biomarcatori.
Tutto ciò viene svolto in maniera non invasiva, semplicemente andando a collocare sul collo del soggetto – che è la zona corporea che fornisce la lettura più ottimale dei segnali di interesse – un cerotto flessibile ed estensibile costituito da sensori integrati tra loro (Figura 1).
La novità emersa da questo progetto è l’unione di sensori completamente differenti tra di loro su un’unica piccola piattaforma, che ha le dimensioni di un francobollo.
Joseph Wang, Professore di Nanoingegneria presso la UC San Diego
Le prestazioni del sensore integrato
Pubblicato su Nature Biomedical Engineering, lo studio ha dimostrato come il rilevamento continuo e simultaneo dei parametri fisiologici, tramite il dispositivo indossabile integrato, ci può far capire come il nostro corpo risponde alle attività quotidiane. Ciò consente di poter prevedere precocemente i cambiamenti fisiologici anormali e di andare a diagnosticare e trattare molte malattie – o eventuali condizioni patologiche – in maniera più efficace.
Tra queste la sepsi, caratterizzata da un improvviso calo della pressione sanguigna accompagnato da un rapido aumento del livello di lattato.
Il dispositivo fornisce anche un’alternativa favorevole per i pazienti ricoverati nel reparto di unità di terapia intensiva che hanno bisogno di monitoraggio continuo della pressione sanguigna e di altri parametri vitali. Oggigiorno questa attività comporta l’inserimento di cateteri in profondità nelle arterie dei pazienti e il collegamento di questi a monitor multiparametrici: si tratta di tecniche efficaci, ma poco confortevoli.
Design e meccanismo di funzionamento del cerotto
Il cerotto è un sottile foglio di polimeri elastici che si adatta perfettamente alla pelle. È dotato di un sensore di pressione sanguigna e due sensori chimici: uno che misura i livelli di lattato (un biomarcatore dello sforzo fisico), di caffeina e di alcol nel sudore, e un altro che misura i livelli di glucosio nel liquido interstiziale.
Il sensore di pressione sanguigna è collocato al centro del cerotto, saldato ad esso da un inchiostro conduttivo, e consiste in una serie di otto trasduttori piezoelettrici che sono allineati con l’arteria carotide. I trasduttori piezoelettrici applicano impulsi a ultrasuoni che generano echi dalle pareti anteriore e posteriore dell’arteria. Quando le onde ultrasoniche rimbalzano su un’arteria, il sensore rileva gli echi e traduce i segnali rilevati in una lettura della pressione sanguigna (Figura 2).
I sensori chimici sono serigrafati sul cerotto da inchiostro conduttivo: quello sul lato destro mira a rilevare lattato, caffeina e alcol, mentre quello sul lato sinistro a rilevare il glucosio. Il rilevamento chimico inizia con l’applicazione di una corrente continua unidirezionale, la ionoforesi, dal terminale positivo (anodo) a quello negativo (catodo), che consente l’erogazione elettro-repulsiva di una molecola stimolante il sudore, la policarpina. Dopo la somministrazione di policarpina, i biomarcatori contenuti nel sudore stimolato (come lattato, caffeina e alcol) vengono quantificati sul lato sinistro del dispositivo. La ionoforesi dal fluido interstiziale trasporta i biomarcatori, tra cui il glucosio, sulla superficie della pelle, consentendone la raccolta e l’analisi sul sensore destro (Figura 3).
Sfide ingegneristiche
Per integrare i trasduttori a ultrasuoni rigidi e i sensori elettrochimici evitando la diafonia del segnale, i ricercatori hanno dovuto calcolare la distanza ottimale tra il sensore di pressione sanguigna e i sensori chimici. Hanno constatato che 1 cm di spaziatura riusciva sia a prevenire il rumore che a mantenere il dispositivo il più piccolo possibile.
Inoltre il sensore di pressione sanguigna e i sensori chimici sono normalmente dotati di un gel liquido per ultrasuoni per produrre letture chiare. Se il gel liquido dal sensore di pressione sanguigna fuoriuscisse e entrasse in contatto con il gel degli altri due sensori, determinerebbe un’interferenza tra i sensori.
Gli studiosi, per evitare ciò, hanno utilizzato un gel per ultrasuoni solido che funziona bene come la versione liquida ma senza generare interferenze elettromagnetiche.
Prestazioni meccaniche
La stabilità meccanica è un altro fattore cruciale che determina l’affidabilità dei sensori indossati sulla pelle quando sono previste deformazioni da trazione. Se queste ultime fossero applicate al dispositivo, l’impedenza dei sensori chimici e la resistenza di contatto ai trasduttori a ultrasuoni potrebbero variare, di conseguenza anche i segnali misurati.
La stabilità del contatto dei trasduttori a ultrasuoni con gli elettrodi stampati è stata ottenuta montando e incollando i primi su un substrato a base di SEBS e bagnando al contempo la superficie dell’elettrodo con toluene (Figura 4).
Grazie a questa strategia, le deformazioni applicate al dispositivo non hanno influenzato la forma d’onda registrata dal trasduttore a ultrasuoni.
Anche i sensori elettrochimici non hanno mostrato un cambiamento di corrente notevole con il progredire del ciclo di stiramento. Il dispositivo ha anche dimostrato una buona resistenza meccanica dopo essere stato trasferito sul corpo.
Monitoraggio delle attività cardiovascolari e dei livelli di biomarcatori
Il team di ricerca ha valutato il dispositivo in scenari di vita reale, in cui le persone di solito svolgono più attività che possono avere effetti sinergici o contrastanti sulle risposte fisiologiche del corpo.
Dei soggetti volontari hanno indossato il cerotto sul collo mentre eseguivano varie combinazioni delle seguenti attività: esercizio su una cyclette, mangiare un pasto ad alto contenuto di zucchero, bere una bevanda alcolica, bere una bevanda contenente caffeina.
Le misurazioni dei parametri fisiologici effettuate dal dispositivo coincidevano con quelle raccolte da dispositivi di monitoraggio commerciali (e.g., bracciale per la pressione sanguigna, misuratore di lattato nel sangue, glucometro ed etilometro). La quantità di caffeina nel sudore è stata determinata attraverso un metodo voltammetrico di addizione standard: al sudore raccolto sono state aggiunte concentrazioni crescenti di caffeina; la rispettiva curva di calibrazione è stata utilizzata per analizzare la concentrazione iniziale di caffeina nel sudore.
Prospettive future
Il team è già al lavoro per una nuova versione del cerotto, più ricca di sensori ed interamente wireless.
Ci sono opportunità per monitorare altri biomarcatori associati a varie malattie. Stiamo cercando di aggiungere più valore clinico a questo dispositivo.
Juliane Sempionatto, Ph.D. in Nanoingegneria presso l’UC San Diego
Lo studio in corso di svolgimento include la riduzione dell’elettronica per il sensore di pressione sanguigna, in modo da renderlo parte integrante del cerotto stesso. Il dispositivo attualmente disponibile prevede infatti il collegamento del sensore a una macchina da banco per visualizzare le letture.
La sfida è aperta e gli ingegneri sono ottimisti e determinati nell’arricchire le peculiarità dell’all-in-one sensor, nell’interesse del benessere di tutti gli individui.
