Una mascherina indossabile di carta high-tech promette di monitorare i parametri respiratori. A sviluppare il nuovo dispositivo indossabile, descritto su Science, sono stati Wei Gao, professore di ingegneria medica del Caltech e i suoi colleghi. I dispositivi indossabili personalizzati che monitorano la salute delle persone sono in aumento. Dagli orologi ai cerotti e ad altri tipi di sensori, questi dispositivi intelligenti possono monitorare l’attività cardiaca, i livelli di infiammazione e altro ancora per aiutare i pazienti a gestire meglio la propria salute da casa.
I ricercatori hanno sviluppato un prototipo di mascherina intelligente che può essere utilizzata per monitorare una serie di condizioni mediche, compresi i disturbi respiratori, come l’asma, la BPCO, broncopneumopatia cronica ostruttiva, e le infezioni post-COVID-19. A differenza di altre mascherine intelligenti in fase di sviluppo che monitorano cambiamenti fisici come la temperatura, l’umidità o la frequenza del respiro, questa, chiamata EBCare, è in grado di analizzare le sostanze chimiche presenti nel respiro in tempo reale.
“EBC” è un acronimo usato in questo campo che significa “condensato del respiro espirato”. Ad esempio, la mascherina potrebbe monitorare i livelli di nitrito, una sostanza chimica che indica l’infiammazione delle vie aeree, nei pazienti asmatici. “Il monitoraggio del respiro di un paziente è qualcosa che viene fatto di routine, ad esempio per valutare l’asma e altre condizioni respiratorie”, ha detto Gao. “Tuttavia, questo richiedeva che il paziente si recasse in una clinica per la raccolta dei campioni, seguita da un periodo di attesa per i risultati di laboratorio”, ha spiegato Gao, il ricercatore principale.
“Dopo il COVID-19, le persone indossano maggiormente le mascherine; possiamo sfruttare questo aumento dell’uso delle mascherine per un monitoraggio personalizzato a distanza, per ottenere un feedback in tempo reale sulla nostra salute a casa o in ufficio”, ha affermato Gao. “Ad esempio – ha aggiunto Gao – potremmo utilizzare queste informazioni per valutare il grado di efficacia di un trattamento medico”. Gao, che è anche ricercatore dell’Heritage Medical Research Institute e borsista di Ronald e JoAnne Willens, ha già sviluppato una serie di biosensori indossabili che analizzano il sudore umano per misurare metaboliti, nutrienti, ormoni e livelli di proteine.
In questo caso, l’obiettivo di Gao era monitorare il respiro, il che comportava una nuova serie di sfide. Per analizzare in modo selettivo le sostanze chimiche o le molecole presenti nel respiro di una persona, è necessario prima raffreddarlo e condensarlo in un liquido. In ambito clinico, questa fase di raffreddamento viene eseguita separatamente dall’analisi. I campioni di respiro umido vengono raffreddati su secchi di ghiaccio o su ingombranti refrigeratori. La nuova mascherina di Gao, invece, è auto-raffreddante. Il respiro viene raffreddato da un sistema di raffreddamento passivo che integra il raffreddamento evaporativo dell’idrogel con il raffreddamento radiativo per raffreddare efficacemente il respiro sulle maschere facciali.
“La mascherina rappresenta un nuovo paradigma per la gestione delle malattie respiratorie e metaboliche e per la medicina di precisione, perché possiamo facilmente ottenere campioni di respiro e analizzare le molecole chimiche nel respiro in tempo reale attraverso le mascherine giornaliere”, ha dichiarato Wenzheng Heng, autore principale dello studio e studente laureato al Caltech. “Il condensato del respiro contiene gas solubili e sostanze non volatili sotto forma di aerosol o goccioline, come sostanze metaboliche, indicatori infiammatori e agenti patogeni”, ha proseguito Heng.
Una volta che il respiro è stato convertito in liquido, una serie di capillari, appartenenti a una classe di dispositivi denominati microfluidica bioispirata, trasporta immediatamente il liquido ai sensori per l’analisi. “Abbiamo imparato dalle piante come trasportare l’acqua”, ha evidenziato Gao. “Le piante usano la forza capillare per aspirare l’acqua dal suolo”, ha continuato Gao. I risultati dell’analisi vengono poi trasmessi in modalità wireless a un telefono personale, a un tablet o a un computer. “La mascherina intelligente può essere preparata a un costo relativamente basso”, ha notato Gao.
“È stata progettata per costare solo circa 1 dollaro in materiali”, ha specificato Gao. Per testare le mascherine, il gruppo di ricerca ha condotto una serie di studi sull’uomo, principalmente su pazienti affetti da asma o BPCO. In particolare, hanno monitorato il respiro dei pazienti alla ricerca di nitriti, un biomarcatore dell’infiammazione in entrambe le patologie. I risultati hanno dimostrato che le mascherine hanno rilevato con precisione il biomarcatore, indicando l’infiammazione delle vie respiratorie dei pazienti. In un altro studio, la squadra di scienziati ha dimostrato che le mascherine hanno rilevato con precisione i livelli di alcol nel sangue di soggetti umani, suggerendo che queste potrebbero essere utilizzate per controlli in loco sulla guida in stato di ebbrezza o per altre forme di monitoraggio del consumo di alcol.
Gli autori hanno anche esaminato come le mascherine potrebbero essere utilizzate per valutare i livelli di urea nel sangue nel monitoraggio e nella gestione delle malattie renali. Quando la funzione renale diminuisce, i sottoprodotti del metabolismo proteico, come l’urea, si accumulano nel sangue. Allo stesso tempo, l’urea aumenta nella saliva, che si scompone in gas ammoniaca, e questo porta a livelli più elevati di ammonio nel condensato dell’alito. Il nuovo studio ha dimostrato che le mascherine intelligenti sono in grado di rilevare con precisione questi livelli di ammonio, riflettendo da vicino i livelli di urea nel sangue.
“Questi primi studi sono una prova di concetto”, ha affermato Gao. “Vogliamo espandere questa tecnologia per incorporare diversi marcatori legati a varie condizioni di salute”, ha annunciato Gao. “Questa è la base per creare una mascherina che funzioni come una piattaforma versatile di monitoraggio della salute generale”, ha osservato Gao. Per quanto riguarda il comfort delle mascherine, i partecipanti hanno riportato esperienze favorevoli, anche quelli con problemi di respirazione.
“La piattaforma della mascherina intelligente per la raccolta e l’analisi dell’EBC rappresenta un importante passo avanti nella possibilità di monitorare la salute dei polmoni in tempo reale”, ha sottolineato Harry Rossiter, ricercatore presso il Lundquist Institute for Biomedical Innovation dell’Harbor-UCLA, professore di medicina presso la David Geffen School of Medicine dell’UCLA e coautore dello studio. “Questo concetto, che prevede la possibilità di aggiungere in futuro biosensori per un’ampia gamma di composti, evidenzia il potenziale innovativo della mascherina intelligente per il monitoraggio e la diagnostica della salute”, ha concluso Rossiter.
