Biosensori, Wearable e Internet of Medical Things (Parte 2)

dispositivo wearable applicato su braccio e collegato a pc per l'elaborazione dei dati

Nano e microelettronica, sensoristica, connessioni wireless e molte altre tecnologie odierne hanno contribuito alla nascita dei dispositivi wearable e dell'area multidisciplinare della bioelettronica. Questi, a loro volta, racchiudono un enorme potenziale, quello di ottimizzare alcune delle metodologie e tecniche utilizzate in svariati ambiti, tra cui di spicco quello sanitario. La tecnologia degli indossabili consente il perfezionamento delle metodologie di diagnosi, prognosi e cura. Componenti chiave di tale progresso sono i biosensori presenti nei device wearable, in grado di raccogliere diversi tipi di informazioni relative ai parametri fisiologici e biochimici di un organismo umano. L'insieme dei biosensori è ampio, variegato e versatile e comprende per esempio i biosensori ottici, considerati uno strumento chiave per lo sviluppo di una nuova medicina, maggiormente accurata ed efficace.

Il connubio tra biologia ed elettronica, la progettazione di componenti elettronici e optoelettronici miniaturizzati e i sistemi di sensori sempre più sofisticati stanno dando il via allo sviluppo di nuove strumentazioni cliniche. I sistemi optoelettronici di rilevamento (Optoelectronic Sensing Systems) offrono funzionalità migliorate, i sensori e i device optoelettronici bio-integrati e indossabili trovano largo utilizzo in campo sanitario e apportano molteplici cambiamenti in grado di ottimizzare i processi diagnostici e terapeutici.

Questi dispositivi utilizzano biosensori (sensori biologici nano o micrometrici, in grado di tracciare differenti composizioni chimiche) per rilevare diversi tipi di informazioni inerenti ai parametri fisiologici e biochimici dei pazienti (frequenza cardiaca, pressione arteriosa, temperatura, andamento del sonno, parametri relativi all'attività motoria, attività neurale, ecc.). I progressi relativi allo sviluppo di sistemi di rilevamento smart, indossabili e optoelettronici trasformano i processi medici, introducono la possibilità di ricavare dati sui pazienti da remoto, in modo costante, a lungo termine e in maniera meno invasiva, semplificando alcune fasi operative del personale medico e restituendo informazioni più accurate.

Numerose aziende, come Apple o Samsung, stanno investendo considerevoli somme nello studio e nella ricerca di device wearable per l'ambito medicale. Al giorno d'oggi, la sofisticazione della sensoristica ha raggiunto il livello di poter rilevare dati concernenti i segnali elettrici, biochimici e fisiologici dell'organismo umano divenendo strumento centrale per l'individuazione di eventuali malattie, consentendo di adottare un approccio proattivo e di frenare il decorso della patologia al suo nascere. I biosensori possono esaminare e restituire importanti informazioni riguardo un'ampia gamma di fattori: presenza di contaminanti in cibo e acqua, controllo dei processi biologici umani, esecuzione diagnostica precisa e basata su un set di dati più completo, identificazione di terapie altamente accurate e personalizzate.

BIOSENSORI

I biosensori sono strumenti di misurazione analitica in grado di registrare cambiamenti e variazioni dei processi biologici e di convertire tali informazioni in segnali elettrici, ottici, ecc. Con processi biologici s'intendono i processi riguardanti elementi e materiali biologici quali enzimi, tessuti, microrganismi, cellule, acidi nucleici, ecc.

Il biosensore si costituisce di diverse parti, tra cui:

Biorecettore, ossia l'elemento di riconoscimento che può essere enzima, anticorpo, cellula, acido nucleico, aptamero, ecc.
Componenti elettroniche o sistema elettronico che include un amplificatore di segnale, un processore e un display per la comunicazione dei risultati.
Trasduttore (materiale semiconduttore o nanomateriale) che, utilizzando biomolecole di organismi o recettori, interagisce con l'analita di interesse. L'interazione tra analita e biorecettore viene misurata dal biotrasduttore che restituisce come output un segnale misurabile e proporzionale alla presenza dell'analita nel campione in esame. Il trasduttore rileva i dati e li converte in segnali elettrici che verranno infine quantificati e restituiti come output. I tipi di trasduttore variano: ottico, elettrochimico, termometrico, piezoelettrico, magnetico e micromeccanico.

Il primo biosensore per la rilevazione dell'ossigeno è stato ideato nel 1962 da Led and Clark. Negli anni, i biosensori si sono diversificati, mano a mano che la ricerca medica e biotecnologica avanzava. L'abilità di identificare marcatori biologici presenti in un ambiente a basse concentrazioni è l'aspetto chiave che ha permesso l'avanzamento della scienza clinica. Possedere strumenti caratterizzati da elevata sensibilità e accuratezza, multifunzionali e capaci di restituire dati quantificati significa potenziare la tecnologia diagnostica e renderla più precisa. I biosensori possono velocizzare il processo di rilevamento di un problema, sono diversificati, possono identificare patogeni pericolosi, rilevare componenti quali enzimi, anticorpi e biomolecole varie. L'insieme di biolemolecole utilizzabili è diversificato, i biosensori possono essere suddivisi a seconda del tipo di interazione del biorecettore: anticorpi/antigene, enzimi/ligandi, acidi nucleici/DNA, strutture cellulari/cellule o materiali biomimetici. I biosensori possono anche essere classificati a seconda del biotrasduttore in uso, tra cui i più comuni sono biosensori ottici, elettrochimici, elettronici, piezoelettrici, piroelettrici, magnetici e gravimetrici. I due tipi di biosensori ampiamente utilizzati in campo medico sono i fotodiodi e i CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Alcuni esempi di biosensore:

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