Computing
Polimeri conduttivi e rivestimenti in PDMS per impianti neurali più flessibili e durevoli
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Adattare l’elettronica al nostro cervello
Nel tempo i dispositivi elettronici sono diventati progressivamente più piccoli e presenti nella vita quotidiana: dai primi mainframe, che occupavano un’intera stanza, agli smartphone e ai numerosi dispositivi connessi di oggi.
Anche l’interfaccia di controllo si è evoluta, passando dalle schede perforate agli schermi tattili e ai comandi vocali.
Un possibile passo successivo consiste nel creare un collegamento più diretto tra attività cerebrale e computer.
Per molto tempo gli impianti neurali sono appartenuti soprattutto alla fantascienza, ma alcune applicazioni cliniche e sperimentali sono già realtà. Gli usi più plausibili riguardano il monitoraggio e il trattamento di malattie neurologiche o il ripristino di funzioni perdute. Un controllo generale dei computer tramite il pensiero resta invece un obiettivo di ricerca, non una capacità dimostrata.
Scenari come il trasferimento diretto di conoscenze nel cervello, reso popolare da film come Matrix, rimangono speculativi e sollevano importanti questioni di sicurezza, consenso e identità personale.
Impianto cerebrale morbido
Una difficoltà centrale nell’impianto di qualunque oggetto artificiale è evitare danni ai tessuti circostanti. Per alcune protesi ossee si possono usare metalli biocompatibili come il titanio; per tessuti molli e delicati come il cervello servono invece dispositivi flessibili, difficili da realizzare con l’elettronica tradizionale.
Inoltre, fluidi corporei e ioni possono degradare i componenti elettronici convenzionali.
Se sia i componenti sia il tessuto devono essere protetti dall’interazione reciproca, occorrono materiali e architetture differenti.
«L’elettronica avanzata viene sviluppata da decenni e dispone quindi di un ampio patrimonio di progetti circuitali.
Il problema è che la maggior parte di queste tecnologie a transistor e amplificatori non è compatibile con la fisiologia umana».
Per questo ricercatori della University of California, Irvine e della Columbia University hanno studiato transistor elettrochimici organici morbidi per possibili interfacce neurali. I risultati sono stati pubblicati su Nature Communications con il titolo “Spatial control of doping in conducting polymers enables complementary, conformable, implantable internal ion-gated organic electrochemical transistors”1.
Elettronica a polimeri
Per sostituire i rigidi transistor al silicio, il gruppo ha sviluppato elettronica basata su polimeri e ha cercato di superare alcuni limiti delle precedenti soluzioni bioelettroniche.
Nelle versioni precedenti, i transistor richiedevano più materiali. Questo aumentava dimensioni e complessità e poteva introdurre sostanze meno adatte al contatto con tessuti sensibili come quelli cerebrali.
Instead, they manage to use a single, biocompatible material, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS).
«Progettando dispositivi con contatti asimmetrici possiamo controllare la posizione del drogaggio nel canale e spostare il funzionamento dal potenziale negativo a quello positivo. In questo modo realizziamo un dispositivo complementare con un solo materiale».
Duncan Wisniewski, candidato al dottorato presso la Columbia University.
L’uso di un unico polimero semplifica anche la fabbricazione e potrebbe favorire la miniaturizzazione e una futura produzione su scala. La fattibilità commerciale, tuttavia, non è stata dimostrata dallo studio.
Fonte: Nature
La notevole flessibilità consente al dispositivo di seguire i movimenti e la curvatura dei tessuti. I ricercatori lo hanno usato anche in topi in fase di sviluppo, nei quali un’interfaccia leggera può ridurre l’ingombro rispetto ai sistemi rigidi. Questo risultato preclinico non dimostra ancora sicurezza o efficacia in bambini o altri pazienti.
Ioni invece di elettroni
Un altro vantaggio è che questi transistor modulano il proprio stato tramite gli ioni presenti nel mezzo biologico. I flussi ionici sono fondamentali nella comunicazione cellulare; anche i segnali elettrici dei neuroni dipendono da variazioni delle concentrazioni ioniche.
«Per questa innovazione abbiamo usato polimeri organici intrinsecamente più vicini ai sistemi biologici e li abbiamo progettati per interagire con gli ioni, perché il linguaggio del cervello e del corpo è ionico, non elettronico».
Duncan Wisniewski, candidato al dottorato presso la Columbia University.
Gli amplificatori cIGT hanno registrato potenziali d’azione extracellulari attribuibili a presunte singole unità neuronali dalla superficie cerebrale di roditori. Non si trattava di un impianto clinico umano.
Stabilità e affidabilità sono state valutate in tre ratti liberi di muoversi, con registrazioni per oltre 40 giorni, e in tre piccoli di topo tra il nono e il quattordicesimo giorno postnatale. I dispositivi leggeri hanno permesso registrazioni in animali giovani difficili da studiare con impianti più grandi, ma il campione era ridotto e lo studio era preclinico.
Fonte: Nature
Impianti più duraturi
Flessibilità e precisione sono necessarie per un’interfaccia neurale, ma anche la durata costituisce un problema essenziale.
Poiché sostituire regolarmente un impianto richiederebbe nuovi interventi, l’elettronica deve essere affidabile per periodi prolungati.
Molti impianti richiederanno comunque circuiti al silicio per elaborare i segnali, anche quando la parte a contatto con il tessuto è organica o flessibile. Occorre quindi proteggere anche questi circuiti dall’ambiente corporeo.
«Gli impianti neurali miniaturizzati hanno un enorme potenziale per la sanità, ma la loro stabilità a lungo termine nell’organismo è una preoccupazione fondamentale».
Dott.ssa Vasiliki (Vasso) Giagka, Professoressa Associata presso la Delft University of Technology
Ricercatori della Delft University of Technology, dello University College London, dell’Imperial College London e di istituti HUN-REN in Ungheria hanno esaminato questo problema. Lo studio è stato pubblicato su Nature Communications con il titolo “On the longevity and inherent hermeticity of silicon-ICs: evaluation of bare-die and PDMS-coated ICs after accelerated aging and implantation studies2.
Proteggere i chip dal cervello
I ricercatori hanno analizzato la degradazione di circuiti integrati al silicio esposti a condizioni fisiologiche. Hanno svolto prove accelerate in laboratorio e impianti in vivo su roditori, non studi clinici sull’uomo.
Sono stati confrontati chip provenienti da due fonderie e realizzati con processi diversi, così da valutare quanto la fabbricazione influenzi stabilità e degradazione. Due processi non rappresentano comunque ogni possibile progetto di circuito integrato.
Fonte: Nature
I circuiti presentano strati superiori di passivazione in ossido e nitruro di silicio, una guarnizione laterale e un substrato di silicio spesso circa 200–300 µm sul lato inferiore. Nel testo originale lo spessore era attribuito erroneamente agli strati di passivazione: il paper specifica che riguarda il substrato. La longevità dipende soprattutto dall’integrità degli strati superiori e dalle caratteristiche del processo produttivo.
Fonte: Nature
Il gruppo ha poi valutato il polidimetilsilossano (PDMS, gomma siliconica) come rivestimento morbido ma permeabile all’umidità. Alcune zone dei chip sono state ricoperte e altre lasciate esposte, consentendo un confronto diretto della degradazione.
Fonte: Nature
Miglioramento radicale nella durabilità
Nelle prove accelerate in soluzione salina e negli impianti nei ratti, le zone rivestite con PDMS hanno mostrato degradazione limitata. Nelle regioni esposte del Chip A, il nitruro di silicio si è assottigliato e, dopo dieci mesi a 67 °C in PBS, lo strato è risultato completamente dissolto. Questi risultati non equivalgono a dieci mesi nel cervello umano.
Fonte: Nature
«I nostri risultati mostrano che chip di silicio a die nudo, se progettati con attenzione, possono funzionare in modo affidabile nell’organismo per mesi.
Siamo rimasti tutti sorpresi. Non mi aspettavo che i microchip fossero così stabili quando venivano immersi e polarizzati elettricamente in acqua salata calda».
Il Chip A si è degradato più rapidamente del Chip B, indicando che materiali e processo di fabbricazione possono incidere fortemente sulla durata.
Il contenuto di idrogeno leggermente superiore del Chip A e differenze nella morfologia atomica potrebbero contribuire alla diversa stabilità chimica in ambiente umido. Si tratta di possibili spiegazioni, non di una causa dimostrata in modo definitivo.
Applicazioni
La combinazione tra circuiti al silicio capaci di resistere più a lungo e dispositivi organici flessibili in grado di amplificare segnali neuronali apre nuove possibilità di ricerca.
Le due tecnologie provengono da studi distinti e non costituiscono ancora insieme un impianto completo, sicuro e semipermanente per l’uomo.
«Prolungando la vita utile degli impianti neurali, il nostro studio apre la strada a tecnologie più durevoli ed efficaci per interfacce cervello-computer e terapie mediche».
Malattie neurologiche
Le prime applicazioni degli impianti neurali riguardano la ricerca biomedica e dispositivi clinici mirati. Tra gli impieghi sperimentali vi è la misurazione dell’attività cerebrale in modelli animali, in particolare nei roditori.
Nel lungo periodo, la ricerca potrebbe contribuire a nuovi strumenti diagnostici o terapeutici per malattie come Alzheimer, Parkinson e sclerosi laterale amiotrofica. Nessuno dei due studi citati dimostra però un trattamento per queste patologie.
La neuromodulazione viene studiata anche per disturbi psichiatrici come depressione resistente, disturbo bipolare e schizofrenia, ma indicazioni, benefici e rischi dipendono dalla tecnologia e dalle prove cliniche.
Questo filone si affianca a primi risultati ottenuti con impianti di Neuralink, società sostenuta da Elon Musk, focused on the improvement of failing brain-muscle interface.
Impianti neurali veri
Tradurre direttamente l’attività cerebrale in comandi leggibili da una macchina può avere numerose applicazioni, un contributo crescente di algoritmi di intelligenza artificiale.
Inizialmente potrebbe aiutare persone con gravi limitazioni motorie, con diversi possibili casi d’uso:
- Ripristinare la capacità di parlare a persone paralizzate o vittime di ictus.
- Migliorare la mobilità di vittime di ictus o pazienti affetti da paralisi cerebrale, distrofia muscolare, ecc.
- Consentire l’uso di un cursore del computer o di strumenti controllati a distanza, potenzialmente aiutando le persone con disabilità a svolgere compiti quotidiani in autonomia e migliorando la loro autonomia.
In un futuro più lontano sono state ipotizzate applicazioni speculative come:
- Esoscheletro reattivo ai pensieri nello stesso modo in cui lo sono i nostri muscoli, moltiplicando la forza normale.
- Controllo remoto completo di corpi robotici lontano dalle nostre posizioni reali, con ovvie applicazioni in industrie pericolose o militari.
- Comunicazione diretta con i computer sia per compiti lavorativi sia per intrattenimento (videogiochi o film VR, ad esempio).
- Invio di dati nel cervello, dal miglioramento dell’apprendimento linguistico (o forse traduzione in tempo reale assistita dall’IA) al ricevere direttamente dati nei nostri cervelli.
Quanto più l’elettronica interagisce con il cervello, tanto più diventano importanti cybersicurezza, privacy, aggiornamenti affidabili, possibilità di disattivazione e consenso informato. Un attacco a un impianto neurale potrebbe avere conseguenze molto più gravi di un attacco a un telefono o a un computer.
Investire in Impianti Neurali & Medicali
Le società quotate collegate a dispositivi medici o interfacce neurali possono essere acquistate tramite broker che le rendono disponibili nella giurisdizione dell’investitore. Prima di aprire un conto, verificare l’autorizzazione del broker, l’entità legale, i costi, la tutela degli asset e la disponibilità effettiva del titolo. Su securities.io, sono disponibili guide generali ai broker per gli Stati Uniti, il Canada, l’Australia, il Regno Unito, e altri Paesi.
Chi non vuole scegliere singole società può esaminare ETF più diversificati, come iShares U.S. Medical Devices ETF (IHI) or the SPDR S&P Health Care Equipment ETF (XHE), che offre esposizione più ampia al settore dei dispositivi medici. Questi ETF non sono fondi dedicati agli impianti neurali: composizione, costi e rischi vanno verificati nei documenti correnti del fondo.
È disponibile anche il nostro articolo “Sei società di dispositivi medici da conoscere“.
Aziende di impianti elettronici
PHG Grafico dei prezzi
Le prime applicazioni commerciali degli impianti neurali saranno probabilmente mediche. Oltre a società private come Neuralink e alle altre citate nell’articolo “Cinque società di interfacce cervello-computer (BCI) da conoscere”, le aziende già attive in sensori ed elettronica sanitaria potrebbero partecipare alla commercializzazione futura. La presenza nel settore non garantisce che svilupperanno o guideranno il mercato degli impianti neurali.
Philips è conosciuta per l’elettronica di consumo, come rasoi e spazzolini elettrici, ma opera anche nella tecnologia sanitaria. La società dichiarava di essere prima in Europa per domande di brevetto MedTech nel 2022.
L’offerta sanitaria comprende dispositivi connessi, monitoraggio, diagnostica per immagini, sistemi respiratori e soluzioni cliniche digitali. Il testo originale attribuiva inoltre a Philips attività generiche nei semiconduttori, nella levitazione magnetica e nella robotica senza fornire un collegamento chiaro con gli impianti neurali; tali affermazioni sono state rimosse.
Fonte: Philips
Philips offre dispositivi e sensori per parametri cardiaci, respiratori e di attività. A seconda del prodotto, i sensori possono essere integrati in monitor, cerotti medicali, dispositivi indossabili e strumenti clinici.
L’esperienza di Philips nei sensori e nei dispositivi connessi potrebbe essere rilevante se gli impianti neurali diventassero una tecnologia clinica consolidata. Non vi sono però prove che ciò renda automaticamente la società leader del settore.
Per alcuni dispositivi medici, Philips adotta un modello di collaborazione, aiutando terze parti a sviluppare dispositivi medici IoT connessi e compatibili con il proprio ecosistema. I servizi possono includere prototipazione, supporto regolatorio, sviluppo del prodotto e produzione su scala industriale.
Questo modello mostra competenze nell’integrazione di tecnologie nei dispositivi medici esistenti, ma non dimostra che Philips adotterà rapidamente ogni nuova tecnologia, come generatori piezoelettrici flessibili o impianti neurali.
Philips dichiarava che nel 2023 i suoi prodotti e servizi avevano raggiunto 1,82 miliardi di persone. È una metrica aziendale di portata, non un conteggio di pazienti unici né una misura degli esiti clinici.
La strategia digitale di Philips mira a collegare sensori, dispositivi e software, anche tramite la piattaforma HealthSuite, per raccogliere e analizzare dati sanitari. L’uso effettivo varia in base a prodotto, cliente, autorizzazioni e requisiti di protezione dei dati.
In teoria, una futura interfaccia cerebrale elettronica potrebbe collegarsi a infrastrutture sanitarie digitali simili. Servirebbero però standard tecnici, prove cliniche, sicurezza informatica, consenso e autorizzazioni regolatorie.
Fonte: Philips
Come fornitore MedTech, Philips è meno associata agli impianti neurali rispetto a società specializzate. Possiede comunque esperienza nella progettazione e produzione di dispositivi elettronici e sensori per la sanità e il monitoraggio indossabile.
La maggiore integrazione di dispositivi indossabili ed elettronica medica può creare opportunità per il segmento sanitario di Philips, ma la crescita dipenderà da domanda, concorrenza, richiami di prodotto, regolamentazione e capacità di esecuzione.
Riferimento allo Studio:
1. Wisniewski, D.J., Ma, L., Rauhala, O.J.et al. (2025) Spatial control of doping in conducting polymers enables complementary, conformable, implantable internal ion-gated organic electrochemical transistors. Nat Commun 16, 517. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55284-w
2. Nanbakhsh, K., Shah Idil, A., Lamont, C.et al. (2025) On the longevity and inherent hermeticity of silicon-ICs: evaluation of bare-die and PDMS-coated ICs after accelerated aging and implantation studies. Nat Commun 16, 12. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55298-4
