Un gruppo di ingegneri dell’Università della California a San Diego ha trovato ispirazione nelle lumache di mare per creare un sensore biomedico altamente estensibile
L’incredibile mondo delle lumache di mare
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Lumache. La medicina personalizzata sta vivendo una rivoluzione grazie ai dispositivi indossabili e ai test fai-da-te che ci permettono di monitorare la nostra salute in modo sempre più preciso. Dalla frequenza cardiaca ai livelli di glucosio, alle diversità del microbioma, cioè l’insieme di microorganismi simbiontici che convivono con l’organismo umano senza danneggiarlo, possiamo tenere traccia di molti valori.
Ma c’è ancora un divario da colmare. Come possiamo creare un’interfaccia perfetta tra il corpo umano e i dispositivi di monitoraggio invasivi?
Quasi tutti gli elettrodi a microaghi esistenti sono infatti rigidi, il che può causare disagio e limitare la precisione delle misurazioni.
Quando si tratta di tessuti muscolari e cutanei che si “deformano” o cambiano forma, gli elettrodi devono seguire queste deformazioni per garantire un contatto intimo e ridurre al minimo i danni ai tessuti.
La risposta potrebbe venire dalle lumache di mare, creature che si adattano al loro ambiente, seguendo le curve e le asperità del terreno marino.
Ebbene, un gruppo di ingegneri dell’Università della California a San Diego ha trovato ispirazione proprio in questi piccoli molluschi. Ha quindi creato un sensore biomedico con microelettrodi tridimensionali, estensibili, flessibili e adattabili ai tessuti umani.
A capo del team, Hangbo Zhao, del Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e Meccanica e il Dipartimento di Ingegneria Biomedica Alfred E. Mann dell’USC. La nuova tecnologia è stata pubblicata sulla rivista Science Advances. Ma cerchiamo di capire meglio.
Caratteristiche dei microaghi ispirati alle lumache
I nuovi elettrodi a microaghi “morbidi” rappresentano un’interessante innovazione nel campo della diagnostica e del monitoraggio medico. Questi elettrodi sono altamente indicati quando si tratta di tessuti muscolari e cutanei che si deformano o cambiano forma. Vediamo perché.
Deformabilità: gli elettrodi morbidi possono adattarsi alle variazioni di forma dei tessuti bersaglio. Questo è particolarmente importante quando si tratta di tessuti che si muovono, come i muscoli o la pelle. L’adesione intima tra l’elettrodo e il tessuto è essenziale per ottenere segnali affidabili e ridurre al minimo i danni ai tessuti;
Visione in profondità: la ricerca di Zhao apre la strada ai progressi nei microaghi che possono percepire i tessuti sempre più in profondità. Cosa fondamentale per diagnosticare condizioni interne o monitorare organi come la vescica;
Rilevazioni ad alta fedeltà: monitorare piccole fluttuazioni dei battiti cardiaci o il funzionamento di una vescica debole richiede un rilevamento ad alta fedeltà. Gli elettrodi morbidi possono offrire una migliore sensibilità e accuratezza rispetto ai tradizionali elettrodi rigidi.
Un metodo di fabbricazione ibrido
Al centro dell’innovazione, un metodo che combina diverse tecniche, tra cui la microlavorazione laser, la microfabbricazione e la stampa a trasferimento.
L’obiettivo è creare array di elettrodi a microaghi con una elasticità (60-90%) mai registrata prima.
Il nuovo metodo di fabbricazione consente insomma di personalizzare vari parametri chiave del dispositivo. Ad esempio, è possibile regolare la geometria degli elettrodi, i siti di registrazione e le proprietà meccaniche ed elettriche. La flessibilità è fondamentale per adattare gli elettrodi alle specifiche esigenze. Questi principi guidano anche il metodo di fabbricazione flessibile. L’obiettivo è infatti creare dispositivi che possano essere facilmente adattati a diverse applicazioni.
Un aspetto interessante di questa ricerca è la sua origine nelle profondità marine.
Inizialmente, la fattibilità degli elettrodi a microaghi è stata dimostrata registrando le attività elettriche nei muscoli in movimento di una lumaca di mare. Questo collegamento con la natura offre nuove prospettive per l’elettronica morbida e la robotica.
Ma in quali contesti si può applicare la nuova tecnologia?
Campi di utilizzo
La tecnologia di piattaforma, basata su microaghi, può essere utilizzata in vari contesti:
Rilevamento e controllo delle attività cerebrali e nervose: i microaghi possono essere utilizzati per monitorare l’attività cerebrale e nervosa. Cosa che potrebbe essere utile per la diagnosi e il trattamento di disturbi neurologici;
Rilevamento elettrochimico dei fluidi interstiziali della pelle: i microaghi possono prelevare campioni di fluidi interstiziali dalla pelle, così da monitorare parametri come il livello di zucchero nel sangue o altre sostanze chimiche;
Diagnosi di disturbi neuromuscolari: la tecnologia potrebbe aiutare a diagnosticare disturbi che coinvolgono i muscoli e i nervi. Ad esempio, potrebbe essere utilizzata per identificare anomalie nei segnali nervosi o nel funzionamento muscolare;
Somministrazione di farmaci nei tessuti profondi: i microaghi possono essere utilizzati per somministrare farmaci direttamente nei tessuti profondi del corpo. In questo modo si potrebbe migliorare l’efficacia del trattamento e ridurre gli effetti collaterali.
La prossima fase di microaghi “morbidi” altamente elastici potrebbe essere una soluzione per coloro che trovano fastidiosi i microaghi tradizionali. Questi nuovi microaghi potrebbero essere più confortevoli e adatti a un uso prolungato.
Fonte
Qinai Zhao et al, Array di elettrodi a microaghi altamente estensibili e personalizzabili per elettromiografia intramuscolare, Science Advances (2024).
Materiale fornito dalla University of Southern California