Il modello di un sensore indossabile per il monitoraggio continuo del sudore, adatto a rilevare il cloruro (ma adattabile anche alla misurazione di sodio, potassio e ammonio) è stato creato dai ricercatori dell’Università di Tokyo per superare i limiti dei sensori attuali, che tendono a creare irritazioni e allergie cutanee, oltre a fornire rilevazioni non sempre efficaci. Lo studio condotto dall’equipe è stato pubblicato sulla nota rivista ACS Sensors. Il sensore di ultima generazione è stato creato attraverso una stampa a trasferimento termico, un materiale in “tessuto-non tessuto” adatto alla pelle, un sistema microfluidico avanzato unito ad un metodo per evitare che bolle d’aria impediscano al sudore di passare attraverso il sensore. Il sensore ionico dovrebbe essere pertanto comodo da indossare per periodi prolungati senza causare irritazioni cutanee e garantire risultati attendibili. Nel test sul corpo, i ricercatori hanno rilevato che le concentrazioni di cloruro nel sudore sono aumentate con il tempo di esercizio, in accordo con risultati riportati in letteratura.

Con i sensori indossabili un monitoraggio costante della salute in qualsiasi ambiente

L’elevato livello di miniaturizzazione possibile nell’elettronica moderna ha aperto la strada alla realizzazione di dispositivi medici precedentemente confinati al campo della fantascienza. I sensori indossabili ne sono un esempio ormai noto. Come suggerisce il nome, questi dispositivi vengono indossati sul corpo, di solito direttamente sulla pelle, e possono misurare importanti parametri come la frequenza cardiaca, la frequenza respiratoria, la temperatura corporea, la pressione sanguigna, i livelli di glucosio, l’attività cerebrale; alcuni sensori indossabili possono anche rilevare sostanze chimiche e biomarcatori nei fluidi corporei, come il sudore, la saliva e le lacrime, e sono correlati a quelli contenuti nel sangue. Qualche anno fa furono ad esempio sperimentati biosensori per rilevare la quantità di alcol attraverso il sudore. Pertanto, è possibile monitorare lo stato di salute controllando vari parametri contenuti nei fluidi corporei, senza prelevare sangue.

Un vantaggio cruciale di questi dispositivi è la loro capacità di monitorare costantemente questi parametri durante le attività quotidiane e l’esercizio fisico. Poiché il pubblico sta diventando sempre più attento alla salute, l’attenzione ai dispositivi indossabili che possono monitorare continuamente questi parametri sta guadagnando sempre più attenzione.

I dispositivi provocano spesso allergie e irritazioni cutanee

Tuttavia, il loro uso può comportare disagio per l’utente, come allergie e irritazioni cutanee, dovute al fatto che questi dispositivi aderiscono alla pelle come tatuaggi e che sono realizzati con materiali sintetici; ne consegue che il loro utilizzo sia limitato. Un problema anche legato alla necessità di indossarli a lungo: nel caso della rilevazione del sudore, ad esempio, c’è la necessità di mantenere questi sensori in contatto con la superficie dalla forma curva della pelle per un periodo prolungato durante i movimenti del corpo, al fine di garantire una raccolta efficiente del sudore e un’analisi dei biomarcatori in situ. Questi sensori richiedono pertanto una tecnologia superiore, specialmente considerando la notevole differenza di concentrazione di biomarcatori tra il sudore e ad esempio il sangue. Questo ha spinto la ricerca nello sviluppo di dispositivi indossabili più accessibili e più efficaci.

Il dispositivo ultima generazione per la rilevazione del cloruro nel sudore

In uno studio recente, un team di ricerca guidato da Isao Shitanda, professore associato dell’Università della Scienza di Tokyo (TUS), in Giappone, ha sviluppato un innovativo biosensore per il sudore che affronta i problemi sopra menzionati. Il lavoro del team è stato pubblicato online su ACS Sensors. I ricercatori hanno puntato a sviluppare una nuova tecnologia in grado di analizzare il sudore, ricco di informazioni sulla salute, che può rivelare il livello di idratazione, l’equilibrio elettrolitico e lo stato fisiologico di una persona. Il dispositivo dovrebbe essere d’aiuto tanto nel mondo sportivo, quanto nel campo medico, soprattutto in considerazione dell’aumento costante delle temperature, che può incidere sulla salute, in particolare delle persone più fragili.

Il dispositivo è stato testato per misurare il cloruro (ma si sono fatti test anche per la misurazione di altri sali minerali), il quale partecipa a diverse funzioni, tra cui la regolazione delle attività nervose e muscolari, il mantenimento dell’equilibrio dei fluidi corporei, la distribuzione corretta dell’acqua all’interno dell’organismo. La sua misurazione può essere utile nell’individuare e prevenire condizioni rischiose come il colpo di calore e l’iponatremia, cioè la mancanza di sodio nell’organismo.

L’innovazione: l’uso della microfluidica, di un tessuto-non tessuto, e di una tecnologia per migliorare l’efficienza del sensore

Gli scienziati, sfruttando la tecnologia di microfluidica più avanzata, hanno sviluppato un dispositivo che trasporta piccole quantità di sudore verso minuscoli sensori chimici, capaci di trasmettere in tempo reale i dati attraverso connessioni wireless. Questo metodo offre una capacità avanzata per la raccolta del sudore con minima evaporazione e contaminazione e la successiva analisi in situ. I canali microfluidici di questi sensori catturano il sudore direttamente dalla pelle e lo trasportano attraverso valvole (ovvero una rete di microcanali), separatori e serbatoi, sfruttando la forza capillare associata alla sudorazione.

L’innovazione sta nella soluzione adottata per offrire un comfort ottimale per l’uso, caratterizzato da leggerezza, morbidezza e assenza di irritazioni cutanee. La scelta ovvia, dicono i ricercatori, è stata quella di sviluppare un sensore integrato nel tessuto, poiché i tessuti presentano proprio queste qualità quando a contatto con la pelle. Innovativa è stata anche la tecnica di stampa adottata, a trasferimento termico, per raggiungere una perfetta nitidezza. È stata inoltre posta particolare attenzione ai materiali impiegati per fabbricare il sensore sul tessuto, per evitare possibili irritazioni e allergie cutanee: un “tessuto non tessuto”, che non irrita la pelle nel caso ne venga a contatto; inoltre, il sensore è stato progettato per essere realizzato sul lato del tessuto rivolto lontano dalla pelle durante l’uso. Il progetto sviluppato dai ricercatori dell’Università di Tokyo consente al sudore assorbito dal tessuto di raggiungere rapidamente l’area di rilevamento. Inoltre, solamente il tessuto stesso è a contatto diretto con la pelle, e garantendo un comfort superiore.

“Il sensore proposto può essere trasferito su substrati di fibra e quindi può essere incorporato in tessuti come magliette, braccialetti e solette”, spiega il prof. Shitanda, a commento dello studio. “Inoltre, gli indicatori di salute come la concentrazione di ioni cloruro nel sudore possono essere misurati semplicemente indossandoli.”

Tuttavia, un problema comune in tali dispositivi è l’accumulo di bolle d’aria nei canali di microfluidica. Queste bolle possono ostruire gli elettrodi dei sensori, interrompendo le misurazioni e compromettendo il monitoraggio continuo dei biomarcatori target.

Per risolvere questa sfida, Isao Shitanda e il suo team hanno sviluppato un metodo per mantenere le misurazioni immutate nonostante la presenza di bolle d’aria, legato alla costruzione del dispositivo.

Gli scienziati hanno dunque testato il sensore attraverso una serie di esperimenti di laboratorio.

La sperimentazione e la prova di efficacia del sensore per il sudore

Il sensore è stato fissato al corpo di un uomo sano di 40 anni durante l’esercizio su una bicicletta aerobica. Dopo la fine dell’esercizio, durante il periodo di riposo, il potenziale a circuito aperto del sensore ionico al cloruro è aumentato. Pertanto, la concentrazione di ioni cloruro nel sudore è aumentata con il passare del tempo e il carico di esercizio ed è diminuita dopo l’esercizio. Questo andamento è simile a quanto osservato e riportato in letteratura. La risposta del sensore ionico al cloruro sviluppato nello studio è stata sovrapponibile ai risultati della misurazione del livello di disidratazione svolta dal gruppo di ricerca con metodi tradizionali. “La nostra ricerca, sottolinea il coordinatore del team di scienziati Shitanda, “dimostra il potenziale dell’uso di sensori ionici indossabili per il monitoraggio in tempo reale dei biomarcatori del sudore, il che potrebbe avere un impatto significativo nello sviluppo della cura personalizzata per la salute”.

Questo tipo di sensore potrebbe dunque diventare uno strumento prezioso nella gestione di condizioni sportive aiutando a prendere decisioni migliori. Ma anche a fornire in modo continuo, preciso e rapido indicazioni sullo stato di salute, prevenendo la disidratazione e in particolar modo il colpo di calore, un’emergenza medica che potenzialmente porta gravi danni agli organi e alla morte se non trattato tempestivamente. Una condizione che, visto l’aumento progressivo delle temperature, potrebbe diventare utile molto presto alle persone più fragili.