Elettronica Interna – Colmare il Divario con l’Oro

Il mercato dei dispositivi medici impiantabili sta crescendo costantemente, spinto da un aumento dei disturbi cronici e da una crescente consapevolezza dei consumatori. Il ritmo è solidamente sostenuto dai progressi tecnologici, che aiutano a rendere questi dispositivi più efficienti, comodi e a basso costo. 

I numeri suggeriscono che il mercato dei dispositivi medici impiantabili a livello mondiale quasi raddoppierà in un decennio, passando da US$105,7 miliardi nel 2023 a US$207,0 miliardi nel 2033. Oggi, inizieremo esaminando una delle innovazioni più determinanti in questo campo negli ultimi tempi, che è anche sintomatica dello spazio fiorente dove la fisiologia medica incrocia l’elettronica efficiente. 

I nanofili d’oro e gli elettrodi morbidi sono pronti per essere collegati al sistema nervoso 

Un team di ricercatori dell’Università di Linköping ha creato nanofili d’oro e sviluppato elettrodi morbidi che possono funzionare in modo equivalente ai nervi umani nella loro elasticità, conduzione elettrica e durata all’interno del corpo. 

Ricercatori ed esperti vedono un immenso potenziale in questa innovazione. Per cominciare, apre nuove frontiere dove potrebbe essere possibile utilizzare l’oro in interfacce morbide per collegare l’elettronica al sistema nervoso a scopi medici. 

Se implementato correttamente, ciò può portare ad alleviare condizioni tanto complesse quanto l’epilessia, il morbo di Parkinson, la paralisi e altrettanto diffuse come il dolore cronico. 

Da tempo, i ricercatori di tutto il mondo sono interessati a creare elettrodi morbidi che non danneggino il tessuto. Questo particolare risultato dei ricercatori dell’Università di Linköping ha contribuito a raggiungere tale obiettivo creando nanofili d’oro mille volte più sottili dei capelli e incorporati in un materiale elastico che può funzionare come microelettrodi morbidi. 

Klas Tybrandt, mentre elaborava l’unicità della ricerca e dei suoi risultati, ha detto quanto segue:

“Siamo riusciti a creare un nuovo, migliore nanomateriale a partire da nanofili d’oro in combinazione con una gomma silicone molto morbida. Far funzionare questi insieme ha prodotto un conduttore con alta conduttività elettrica, molto morbido e realizzato con materiali biocompatibili che funzionano con il corpo.”

Creare Nanofili d’Oro: Sfide Affrontate e Superate

Una delle principali difficoltà incontrate dai ricercatori riguardava la produzione di nanostrutture d’oro lunghe e sottili. I ricercatori hanno ideato un modo unico per superare questa sfida, utilizzando nanofili d’argento. Spiegando come questo risultato unico potesse essere raggiunto, Klas Tybrant ha dichiarato quanto segue:

“Poiché è possibile produrre nanofili d’argento, ne approfittiamo e utilizziamo il nanofilo d’argento come una sorta di stampo su cui far crescere l’oro. Il passo successivo del processo è rimuovere l’argento. Una volta fatto, otteniamo un materiale che contiene oltre il 99 percento di oro..”

In origine, i ricercatori non potevano usare l’argento perché è chimicamente reattivo, si usura nel tempo e rischia di degradarsi e scolorirsi. Inoltre, alte concentrazioni di argento possono essere tossiche per il corpo umano. Perciò hanno dovuto rivestirlo con oro.

Per quanto riguarda il materiale che hanno ideato e la sua durata, i ricercatori credono che la loro soluzione possa durare almeno tre anni, superando molti nanomateriali sviluppati in precedenza.

Presto, il team di ricerca inizierà a lavorare sul perfezionamento del materiale e sulla creazione di diversi tipi di elettrodi ancora più piccoli, in grado di avvicinarsi maggiormente alle cellule nervose.

Il Mondo Diversificato degli Impiantabili

Mentre l’utilità di questa ricerca è già stata citata, esistono molti altri impiantabili disponibili nel settore med-tech. Contribuiscono a rendere diagnosi e trattamenti più coerenti, accessibili ed efficienti. 

Ad esempio, gli scienziati della Georgia Tech University hanno sviluppato un sensore impiantabile e indossabile che monitora la guarigione degli aneurismi nei vasi sanguigni cerebrali. Poiché funziona senza batterie, può essere avvolto attorno a stent o diverters impiantati per regolare il flusso sanguigno.

Il sensore è realizzato mediante stampa 3D a getto aerosol, che deposita tracce conduttive d’argento su substrati elastomerici. Inserito tramite catetere, utilizza l’accoppiamento induttivo dei segnali per la rilevazione wireless dell’emodinamica biomimetica degli aneurismi cerebrali.

Il processo coinvolge tre bobine. Una bobina cattura l’energia elettromagnetica trasmessa da un’altra bobina esterna al corpo. Quando il sangue scorre attraverso lo stent, il sensore impiantato modifica la sua capacità, alterando il segnale trasmesso a una terza bobina esterna.

In un altro esempio di lavoro simile, un gruppo di ingegneri della Texas A&M University ha sviluppato un dispositivo che utilizza il grafene e inietta corrente alternata nella pelle per monitorare la pressione sanguigna. 

Chiamati Graphene Electronic Tattoos, questi sensori di grafene adesivi possono monitorare la salute cardiovascolare tramite monitoraggio continuo. Possono continuare a funzionare e raccogliere dati pertinenti anche quando il paziente sta dormendo, facendo esercizio o vivendo situazioni di alto stress. 

Sono in corso anche ricerche per determinare come questi dispositivi impiantabili possano catturare e utilizzare energia. Ad esempio, un team di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology ha sviluppato una batteria che trae energia dal glucosio. La nuova batteria è spessa solo 400 nanometri, circa 1/100 del diametro di un capello umano. Genera circa 43 microwatt per centimetro quadrato di elettricità e può resistere a temperature fino a 600 °C.

I ricercatori hanno utilizzato un substrato ceramico ultra-sottile e una soluzione di glucosio per conferire alla batteria flessibilità e renderla comoda da posizionare all’interno del corpo.

Mentre i ricercatori lavorano per ideare il maggior numero possibile di soluzioni tecnologiche innovative e uniche, alcune aziende stanno lavorando per rendere disponibili dispositivi impiantabili efficienti per l’adozione di massa. Nei prossimi segmenti, esamineremo un paio di queste soluzioni commerciali. 

#1. CorTec

Una delle aziende che ha costantemente fornito soluzioni rivoluzionarie è CorTec. Azienda certificata ISO 13485, CorTec sviluppa e produce prodotti e componenti per la neuromodulazione e la tecnologia di impianti attivi nei suoi laboratori interni e nell’infrastruttura di camere pulite. 

La gamma brevettata di elettrodi AirRay di CorTec si dimostra utile per la stimolazione e la registrazione del tessuto nervoso, fungendo da interfaccia ideale per il sistema nervoso nei dispositivi medici. 

Ad esempio, gli elettrodi a manicotto AirRay forniscono un’interfaccia elettrica al sistema nervoso periferico, mentre gli elettrodi a griglia e a striscia sono progettati per interfacciarsi con il sistema nervoso centrale. Gli elettrodi percutanei AirRay sono destinati all’uso sottocutaneo, nonché alla registrazione e stimolazione del midollo spinale. Infine, gli elettrodi a paddle AirRay offrono un’interfaccia elettrica al sistema nervoso centrale, mirata specificamente al midollo spinale.

Oltre a questa gamma, una delle soluzioni brevettate di CorTec comprende i suoi Elettrodi Corticali. Questi sono CorTec’s elettrodi ECoG per il neuromonitoraggio invasivo. Attraverso questi elettrodi, è possibile eseguire il monitoraggio dei segnali elettrici cerebrali, in linea con i requisiti per la localizzazione di focolai epilettogeni o la mappatura cerebrale. Gli elettrodi possono essere utilizzati per un massimo di 29 giorni, ed è possibile collegare un totale di 64 elettrodi utilizzando solo due cavi. I contatti degli elettrodi sono quasi impalpabili e si bloccano in modo sicuro con il materiale per prevenire la separazione dal silicone.

Uno degli aspetti più cruciali degli elettrodi corticali di CorTec è che la FDA li ha ritenuti idonei per l’approvazione e l’autorizzazione di mercato per il neuromonitoraggio invasivo nel sistema nervoso centrale. Il portafoglio prodotti include tutte le possibili configurazioni di contatti, da 1×4 a 8×8 contatti elettrodi.

Oltre a un significativo finanziamento pubblico, CorTec, secondo la sua dichiarazione ufficiale, ha raccolto quattro round di finanziamento. La sua lista di investitori attuali include Mangold Invest, M-Invest, Kfw, High-Tech Gründerfonds, Santo Venture Capital GmbH, LBBW Venture Capital e K & S W Invest. 

Il finanziamento pubblico comprende sussidi del Ministero federale tedesco per l’Istruzione e la Ricerca (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF) e dell’Unione Europea.

#2. Atrotech

Un’altra azienda che da decenni svolge un lavoro di nicchia ma rivoluzionario in questo settore è Atrotech. Fondata nel 1984 e situata a Technopolis Hermia, Tampere, Finlandia, Atrotech è nata da idee di prodotto interdisciplinari che combinavano le scienze mediche e la bioingegneria, con l’attività principale focalizzata nel campo della stimolazione elettrica funzionale (FES). 

Due dei principali contributi di Atrotech in questo campo includono la progettazione e la produzione di neurostimolatori impiantabili e di elettrodi impiantabili.

Nella realizzazione degli elettrodi, l’azienda sfrutta oltre 30 anni di esperienza nella produzione di elettrodi a contatto in platino di alta qualità, fili di collegamento e connettori multipolari. L’area di servizio a cui si rivolge comprende progetti di ricerca, sperimentazioni cliniche e dispositivi medici distribuiti commercialmente.

L’azienda dispone di un processo produttivo flessibile, che le consente di produrre piccole quantità così come volumi su larga scala in modo rapido ed economico. Inoltre, l’azienda collabora con numerosi medici e università nelle fasi iniziali di sviluppo e prototipazione di potenziali nuovi dispositivi medici.

Uno degli studi recentemente finanziati dall’azienda mirava a valutare la fattibilità e la sicurezza di un nuovo approccio di neurostimolazione temporanea, rimovibile e impiantata chirurgicamente, che coinvolge la porzione distale del nervo frenico. Per lo studio, l’azienda ha sviluppato un elettrodo stimolatore del nervo frenico temporaneo (tPNS) appositamente progettato.

Tale collaborazione tra aziende specializzate e orientate all’industria e un gruppo di ricercatori e medici sparsi in tutto il mondo rende il futuro dell’elettronica interna luminoso e pronto a prosperare. 

La Traiettoria Futura dell’Elettronica Interna

Secondo una recente ricerca pubblicata a luglio 2024 sulla rivista ‘Nature’, i ricercatori hanno sviluppato un elettrodo impiantabile basato su una lega bioassorbibile Mg‑Nd‑Zn‑Zr che funzionerebbe bene in un’applicazione di saldatura tissutale a radiofrequenza (RF) di nuova generazione.

Si prevede che l’elettrodo riduca i danni termici e aumenti la resistenza dell’anastomosi. Progettato con diverse caratteristiche strutturali di superficie cilindrica (CS) e anello lungo continuo (LR) nell’area di saldatura, le simulazioni elettrotermiche dell’elettrodo sono state studiate mediante analisi agli elementi finiti (FEA).

I risultati hanno mostrato che la temperatura media nell’area di saldatura e la proporzione di tessuto necrotico sono diminuiti in modo significativo applicando una corrente alternata di 110 V per 10 secondi all’elettrodo LR. Anche le temperature massime e medie dei tessuti saldati dall’elettrodo LR sono state significativamente ridotte, mentre la resistenza dell’anastomosi del tessuto saldato è migliorata.

Imec, un laboratorio fondato nel 1984 per assistere e consentire all’industria dei semiconduttori di scalare funzionalmente, ha realizzato anche alcune innovazioni pionieristiche negli impiantabili su scala nanometrica. Ha contribuito a sviluppare impianti minimamente invasivi adatti a protesi aptiche di nuova generazione. Il chip impiantabile prototipo che Imec ha sviluppato insieme all’Università della Florida offre ai pazienti un controllo più intuitivo sulle protesi per l’arto. Uno dei suoi componenti principali, il chip in silicio sottile, è il primo al mondo per densità di elettrodi ed è stato sviluppato nell’ambito del progetto IMPRESS finanziato dal programma HAPTIX della DARPA per creare un sistema a ciclo chiuso per la tecnologia delle protesi aptiche di futura generazione.

Una delle pubblicazioni scientifiche sull’importanza delle bioelettroniche impiantabili a base di carbonio ha fatto un’osservazione cruciale sull’utilità dell’elettronica interna. Per citare testualmente, la pubblicazione osserva:

“Poiché le bioelettroniche impiantabili possono percepire informazioni corporee o suscitare reazioni corporee negli esseri viventi da siti esterni al corpo, stanno diventando rimedi utili e promettenti per una varietà di disturbi.”

In futuro, i materiali a base di carbonio giocheranno un ruolo cruciale nella produzione di elettronica medica impiantabile. Questi vantaggi includono l’alta biocompatibilità dei materiali carboniosi, la resistenza alla fatica e la bassa gravità specifica. Tali materiali sono impiegati in un’ampia gamma di applicazioni, tra cui dispositivi di somministrazione di farmaci, biosensori, stimolatori terapeutici e sistemi di accumulo energetico. Tutte queste proprietà hanno un ruolo nei settori neurologico, cardiovascolare, gastrointestinale e locomotorio.

Attuatori impiantabili, biosensori, sistemi di somministrazione di farmaci e fonti di energia—tutti beneficiano dei progressi nel campo dell’elettronica interna o impiantabile. Ulteriori progressi in quest’area richiederanno un approccio più intersezionale che coinvolga ricercatori delle bioscienze, scienziati dei materiali e fisici di tutto il mondo.

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