Sensore del sudore per il monitoraggio della salute

I sensori del sudore indossabili possono essere potenzialmente utilizzati per monitorare in modo continuo e non invasivo i biomarcatori fisico-chimici che contengono informazioni relative alla diagnostica delle malattie e al monitoraggio della forma fisica. Tuttavia, lo sviluppo di tali sensori autonomi deve affrontare una serie di sfide, tra cui il raggiungimento di un’estrazione costante del sudore per un monitoraggio continuo e prolungato e la gestione delle elevate richieste di potenza di analisi multifunzionali e complesse.

Il sudore, come il sangue, può dirci molto sulla salute di una persona. E convenientemente, è molto meno invasivo da raccogliere. Questa è la premessa alla base dei sensori di sudore indossabili sviluppati dall'ingegnere Wei Gao (1), assistente professore di ingegneria medica, ricercatore dell'Heritage Medical Research Institute e Ronald e JoAnne Willens Scholar. Negli ultimi cinque anni, Gao ha costantemente aggiunto funzionalità ai suoi dispositivi indossabili, rendendoli capaci di leggere i livelli di sali, zuccheri, acido urico, aminoacidi e vitamine, nonché molecole più complesse come la proteina C-reattiva che possono fornire una valutazione tempestiva di determinati rischi per la salute. Più recentemente, in collaborazione con il gruppo di Martin Kaltenbrunner presso la Johannes Kepler University Linz in Austria, Gao ha alimentato questi biosensori indossabili con una cella solare flessibile.

La cella solare, descritta su Nature Electronics (2), utilizzata dal laboratorio di Gao è realizzata in cristallo di perovskite, un materiale che condivide la struttura chimica trovata per la prima volta nel minerale ossido di calcio e titanio. La perovskite ha catturato l’attenzione degli sviluppatori di celle solari per diversi motivi: in primo luogo, è più economica da produrre rispetto al silicio (il materiale principale utilizzato nelle celle solari dagli anni ’50), che deve essere altamente purificato attraverso molteplici processi. In secondo luogo, la perovskite è fino a 1.000 volte più sottile degli strati di celle solari in silicio, rendendoli “quasi-2D” nei termini di Gao. In terzo luogo, la perovskite può essere adattata agli spettri di diverse illuminazioni, dalla luce solare esterna a varie forme di illuminazione interna. Infine, cosa più interessante per i pionieri dell’energia solare, le celle solari in perovskite raggiungono un’efficienza di conversione di potenza (power conversion efficiency - PCE) più elevata rispetto al silicio, il che significa che possono convertire una percentuale maggiore della luce che ricevono in elettricità utilizzabile.

Le celle solari al silicio hanno raggiunto livelli di PCE che vanno dal 26 al 27%, anche se nell’uso regolare l’intervallo oscilla tra il 18 e il 22%. Al contrario, la cella solare flessibile in perovskite (flexible perovskite solar cell - FPSC) sul sensore di sudore indossabile di Gao ha un PCE da record che supera il 31% in condizioni di illuminazione interna.

«Non vogliamo utilizzare solo la forte luce solare per alimentare i nostri dispositivi indossabili», spiega Gao. «Ci preoccupiamo più delle condizioni della vita reale, inclusa la normale illuminazione di ufficio e casa. Molte celle solari hanno un'elevata efficienza in condizioni di forte luce solare ma non in condizioni di scarsa illuminazione interna. L'FPSC sul sensore del sudore è particolarmente adatto all'illuminazione interna poiché la risposta spettrale dell'FPSC si adatta bene allo spettro di emissione dell'illuminazione interna comune».

Le versioni precedenti dei sensori di sudore indossabili di Gao erano alimentate da batterie agli ioni di litio che erano ingombranti e dovevano essere ricaricate con una fonte esterna di elettricità. La ricerca di una fonte di elettricità più leggera e rinnovabile per alimentare questi dispositivi ad alta richiesta ha portato il laboratorio del professor Gao a provare a utilizzare celle solari al silicio, che hanno scoperto essere troppo rigide, inefficienti e dipendenti da forti condizioni di illuminazione. Hanno anche sperimentato la raccolta di energia dalle sostanze chimiche presenti nel sudore umano (un biocarburante facilmente disponibile) e dal movimento del corpo, ma hanno scoperto che questi erano troppo instabili o richiedevano uno sforzo eccessivo da parte di chi li indossava.

L'uso di un FPSC ha consentito a Gao di creare sensori del sudore che possono essere indossati per 12 ore al giorno, fornendo un monitoraggio continuo di pH, sale, glucosio e temperatura e un monitoraggio periodico (ogni 5-10 minuti) della velocità del sudore. Tutto ciò viene realizzato senza batterie o una sorgente luminosa appositamente dedicata. Inoltre, poiché la fonte di alimentazione è diventata più leggera e meno ingombrante, il dispositivo indossabile ha spazio per ulteriori rilevatori con lo scopo di monitorare contemporaneamente un numero maggiore di biomarcatori.

Questo nuovo sensore di sudore indossabile, come i suoi predecessori, è assemblato in modo simile ad un origami, con singoli strati dedicati a diversi processi. Il sensore ha quattro componenti principali che interagiscono. Il primo è dedicato alla gestione dell'energia, ovvero all'erogazione dell'elettricità raccolta dalla cella solare. Il secondo consente la ionoforesi, l'induzione della sudorazione senza alcun esercizio fisico o esposizione a calore elevato da parte di chi lo indossa. Nello studio di Gao, la ionoforesi è stata eseguita ogni tre ore per garantire che fosse disponibile abbastanza sudore per monitorare continuamente i biomarcatori sotto osservazione. Il terzo consente la misurazione elettrochimica di varie sostanze presenti nel sudore. Il quarto gestisce l'elaborazione dei dati e la comunicazione wireless, che consente al sensore di interfacciarsi con un'app per cellulare per visualizzare i risultati in corso del monitoraggio del sensore.

Completamente assemblato, il sensore misura 20 x 27 x 4 millimetri ed è in grado di sopportare lo stress meccanico associato all'indossamento sul corpo. «La maggior parte degli elementi del sensore del sudore, come l'elettronica e l'FPSC (flexible perovskite solar cell), sono riutilizzabili», aggiunge Gao. «L'unica eccezione è il cerotto del sensore, che è usa e getta e può essere prodotto in serie a basso costo utilizzando la stampa a getto d'inchiostro». Questi cerotti sensore possono anche essere personalizzati in base alle sostanze che l'utente desidera misurare nel proprio corpo.

Non appena questi sensori di sudore a energia solare verranno utilizzati, saranno in grado di misurare molto più di quanto fa attualmente qualsiasi tracker di fitness o salute. Ad esempio, possono essere utilizzati per la gestione del diabete (gli studi hanno dimostrato che il glucosio nel sudore è strettamente correlato al glucosio nel sangue) e per l’individuazione di una serie di condizioni come malattie cardiache, fibrosi cistica e gotta. Poiché non sono invasivi e possono eseguire misurazioni multiple in brevi periodi di tempo, questi sensori possono discernere la linea di base di un individuo per sostanze come cortisolo, ormoni o metaboliti di vari nutrienti e farmaci. Una volta che i livelli di base di tali sostanze saranno noti, le future deviazioni da questi forniranno un mezzo di diagnosi più efficace di quanto potrebbe mai fare un singolo prelievo di sangue. E poiché i sensori sono relativamente economici, la speranza è che possano diventare un eccellente strumento diagnostico in tutto il mondo, compresi i paesi in via di sviluppo.

La ricerca è stata supportata dal National Science Foundation, e dall'European Research Council Starting Grant. Hanno collaborato alla stesura dell'articolo “An autonomous wearable biosensor powered by a perovskite solar cell”, in Nature Electronics: Jihong Min, Juliane R. Sempionatto, Yu Song, Changhao Xu, Yiran Yang, Samuel Solomon, e Ehsan Shirzaei Sani del Caltech, e Stepan Demchyshyn, Bekele Hailegnaw, Christoph Putz, Lukas Lehner, Julia Felicitas Schwarz, Clemens Schwarzinger, Markus Scharber, e Martin Kaltenbrunner della Johannes Kepler University Linz.

Riferimenti:

(1) Wei Gao

(2) An autonomous wearable biosensor powered by a perovskite solar cell

Descrizione foto: La cella solare flessibile in perovskite che alimenta il sensore di sudore indossabile dal dottor Wei Gao. - Credit: Stepan Demchyshyn.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New Wearable Sensor Sets Record for Solar Power Efficiency