Ein neuer Smart-Ring kann gleichzeitig bis zu vier verschiedene chemische Biomarker erfassen, die direkt aus dem Schweiss an Ihrem Finger gewonnen werden – und das ganz ohne einen einzigen Tropfen durch Sport ausgelösten Schweisses.
Ingenieurinnen und Ingenieure bezeichnen ihn als den ersten vollständig integrierten Smart-Ring für die kontinuierliche tägliche biochemische Überwachung. Er kann Glukose, Ketone, Vitamin C, Harnsäure, Laktat und Alkohol verfolgen.
Die Forschung wurde von Ingenieurinnen und Ingenieuren an der University of California, San Diego, im Labor von Joseph Wang geleitet.
Das Team nennt das Gerät CHARM – die Abkürzung steht für Continuous Health Analyzing Ring Module. Der Ring wiegt nur 5,1 Gramm und hat einen Aussendurchmesser von etwa 3 Zentimetern.
Mehr als ein Fitness-Tracker
„Kommerzielle Ringe liefern nur biophysikalische Informationen, aber ihnen fehlen molekulare Informationen über biochemische Marker, die tiefere Einblicke in den Gesundheitszustand einer Person ermöglichen“, sagte der Erstautor Tamoghna Saha, Postdoktorand in Wangs Labor.
Die meisten derzeit erhältlichen Wearable-Ringe erfassen beispielsweise Herzfrequenz, Temperatur oder Bewegung. Dieser neue Ring ergänzt das um eine völlig andere Informationsebene: Er sammelt biochemische Marker, die zeigen sollen, was im Körper auf molekularer Ebene passiert.
Konstruiert wurde der Ring aus zwei verbundenen Hälften. In der einen Hälfte befinden sich das Schweiss-Extraktionssystem, das Sensor-Array und mikrofluidische Kanäle.
In der anderen Hälfte sind die flexible Batterie und die Elektronik untergebracht; beide Seiten sind über ein Anschluss-Pad miteinander verbunden.
Biochemische Überwachung mit CHARM – ohne ins Schwitzen zu kommen
Im Unterschied zu schweissbasierten Sensoren, die auf Training oder körperliche Anstrengung angewiesen sind, um überhaupt eine brauchbare Probe zu erhalten, kommt dieser Smart-Ring ohne solche Voraussetzungen aus.
Das Gerät zieht Schweiss passiv über die Haut per Osmose – mithilfe einer Technik, die Saha eigens für diesen Zweck entwickelt hat.
Durch diese passive Gewinnung kann der Ring den ganzen Tag über fortlaufend biochemische Daten erfassen, unabhängig davon, ob die Trägerin oder der Träger aktiv ist oder still sitzt.
Tests zeigten, dass die osmotische Extraktion bei unterschiedlichen Fingern und verschiedenen Personen Schweiss mit einer recht gleichmässigen Rate herauszog.
Dabei liefert das Verfahren ungefähr das Fünf- bis Sechsfache der Flüssigkeitsmenge, die die Haut an dieser Stelle von sich aus produzieren würde – ohne sichtbares Schwitzen auszulösen und ohne dass es für die Trägerin oder den Träger unangenehm wird.
„Ein Ring, der dynamische molekulare Informationen in Echtzeit erfasst, wäre äusserst nützlich, um fundierte Entscheidungen in Bezug auf Gesundheit, Ernährung und Lebensstil zu treffen“, sagte Wang.
Gegen medizinische Geräte geprüft
Um die tatsächliche Genauigkeit des Rings zu überprüfen, führten die Forschenden Versuche sowohl mit gesunden Probandinnen und Probanden als auch mit Menschen mit Typ-1-Diabetes durch.
Die Glukosewerte des Rings verliefen sehr ähnlich zu denen kommerzieller kontinuierlicher Glukosemesssysteme.
Auch die Ketonwerte stimmten mit den Ergebnissen kommerzieller Blut-Ketonmessgeräte überein – eine wichtige Bestätigung, da diese Geräte in der klinischen und persönlichen Gesundheitsüberwachung bereits fest etabliert sind.
In einer Testreihe liessen die Forschenden eine Person mit Typ-1-Diabetes Mahlzeiten essen, ein Keton-Supplement trinken, Alkohol konsumieren, Sport treiben und Süssigkeiten essen, um einen Abfall des Blutzuckers auszugleichen – und das alles, während sie den Ring trug.
Das Gerät registrierte Glukose-Spitzen nach den Mahlzeiten, einen Anstieg der Ketone nach dem Ketongetränk, einen Laktat-Sprung nach moderater Bewegung sowie einen Anstieg und anschliessend langsamen Rückgang des Blutalkohols nach einem Glas Wein.
Diese Verläufe passten insgesamt recht gut zu den Ergebnissen von Standard-Bluttests, die parallel zu den Ringmessungen durchgeführt wurden.
Bei gesunden Teilnehmenden erkannte der Ring ausserdem kleinere Glukoseveränderungen nach dem Essen sowie Ketonveränderungen nach einem Supplement-Getränk.
Zudem registrierte er Verschiebungen der Harnsäurewerte, nachdem Teilnehmende Sardinen gegessen hatten – ein purinreiches Lebensmittel, das den Harnsäurespiegel erhöht.
Vollgepackt mit winziger Technik
Das Team entwickelte den Biomarker-Smart-Ring als vollständig integrierten Prototyp. In dem Ring sind Biomarker-Sensorik, stromsparende Elektronik und eine flexible Batterie in einem einzigen System vereint.
Die Biomarker-Daten werden drahtlos an eine begleitende Smartphone-App übertragen.
Für die Schweissgewinnung nutzt der Smart-Ring ein osmotisches Hydrogel – ein weiches Polymer, das einen Druckgradienten erzeugt und dadurch Flüssigkeit schmerzfrei durch die Haut herausziehen kann.
Das Prinzip ähnelt dem Transport von Wasser aus dem Boden durch die Wurzeln einer Pflanze bis in ihre Blätter.
Nachdem der Schweiss gesammelt wurde, analysiert ihn ein elektrochemisches Sensor-Array, das direkt in den Smart-Ring integriert ist.
Durch wiederholte Messungen über längere Zeit ermittelt das System personenbezogene Kalibrierfaktoren, die die rohen elektrischen Stromsignale in tatsächliche Konzentrationswerte umrechnen.
Dadurch sind individuellere Einblicke möglich, wie sich die Biomarker einer Person über die Zeit verändern.
Auffällig ist: Diese personalisierten Kalibrierungen blieben etwa zwei Monate lang zuverlässig, bevor sie erneuert werden mussten. Damit wäre es nicht nötig, zur Kalibrierung täglich einen Fingerstich für einen Vergleichswert im Blut vorzunehmen.
Alles in einen Ring gepackt
Die Energie liefert eine flexible, wiederaufladbare Zink–Silberoxid-Batterie, die zwischen zwei Ladevorgängen bis zu 12 Stunden Dauerbetrieb ermöglichen kann.
Die Elektronikplatine ist kleiner als eine US-Quarter-Münze – bemerkenswert kompakt, gemessen an den Funktionen, die sie erfüllen muss.
Die Aussenhülle des Rings besteht aus einem 3D-gedruckten Polymer, das dem Gerät seine endgültige Form verleiht.
Auch die Batterie erwies sich als robust bei wiederholtem Biegen und Falten. Sie hielt eine stabile Ladung, selbst nachdem die Forschenden sie Tausende Male zu engen Schlaufen gebogen hatten.
„Eine solche Integration auf dem kleinen Platzangebot eines Ring-Formfaktors ist erstaunlich“, sagte Wang.
Die Technik braucht noch Feinschliff
Die Forschenden betonen offen, dass der aktuelle Prototyp noch nicht für den alltäglichen Einsatz durch Verbraucherinnen und Verbraucher bereit ist.
Der Ring ist bislang nicht vollständig wasserdicht; das Team geht davon aus, dass ein stärker abgedichtetes Design dieses Problem in zukünftigen Versionen lösen könnte.
Ausserdem weisen die Forschenden darauf hin, dass das Gerät bislang nicht an einer grossen, vielfältigen Gruppe von Menschen mit Diabetes getestet wurde.
Ebenso wurde noch nicht untersucht, wie zuverlässig es über die gesamte Bandbreite extremer Blutzuckerwerte arbeitet – einschliesslich schwerer Hypoglykämie –, die ein kommerzielles Produkt sicher abdecken müsste.
Für eine Nutzung über mehrere Tage statt nur für einen einzelnen Tragetag werden voraussichtlich weitere Fortschritte beim Hydrogel-Material sowie leichter austauschbare Komponenten notwendig sein.
Bevor das Gerät für die tägliche, langfristige Anwendung bei Menschen mit Diabetes-Management praktikabel wird, müssten Entwicklerinnen und Entwickler austauschbare Sensor-Kartuschen oder wiederaufladbare Batteriemodule integrieren.
Bildnachweis: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
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