Nuova tecnologia a ultrasuoni alimenta impianti medici in modalità wireless

La sfida di alimentare impianti medici avanzati

Migliorare il corpo umano, o sostituire parti difettose, è stato un obiettivo della medicina fin dalle prime rozze protesi dell’antichità. Progressivamente, con l’aumento della complessità dei componenti meccanici, l’idea di sostituire parti del corpo è diventata sempre più popolare tra gli appassionati di fantascienza, portando al concetto di cyborg, persone a metà tra umano e macchina.

In una certa misura, potremmo sostenere che ciò sta già accadendo, con interventi come l’impianto di pacemaker o le chirurgia dell’anca eseguite di routine e che integrano problemi nel muscolo cardiaco o nell’articolazione dei pazienti, migliorandoli con impianti metallici.

Poiché gli impianti neurali e altri impianti medici avanzati stanno diventando una realtà probabile nel prossimo decennio, ci avviciniamo più che mai alla creazione di veri corpi cibernetici.

C’è però ancora un problema ricorrente per la maggior parte degli impianti medici: l’alimentazione. I pacemaker si accontentano di batterie molto piccole perché necessitano solo di livelli di potenza molto limitati. Tuttavia, impianti come i chip neurali richiederanno probabilmente molta più energia.

I metodi tradizionali di ricarica wireless, come l’induzione elettromagnetica e i sistemi basati su radiofrequenza comunemente usati in smartphone e auricolari, affrontano diverse sfide.

Possono essere vulnerabili a problemi come brevi distanze di trasmissione, bassa efficienza energetica nei tessuti biologici e suscettibilità alle interferenze elettromagnetiche.

Un altro metodo potrebbe diventare possibile, secondo il lavoro di ricercatori della Korea University, del Korea Institute of Science and Technology (KIST), della Sungkyunkwan University (SKKU – Corea del Sud), della Yonsei University (Corea del Sud) e dell’University of California.

Hanno sviluppato un modo per ricaricare i dispositivi medici in modalità wireless utilizzando gli ultrasuoni. Hanno pubblicato la loro scoperta su Advanced Materials¹, con il titolo “A Body Conformal Ultrasound Receiver for Efficient and Stable Wireless Power Transfer in Deep Percutaneous Charging”.

Perché l’energia wireless fatica a penetrare nei tessuti umani

I dispositivi medici elettronici impiantabili (IMD) sono utilizzati in applicazioni terapeutiche per malattie o lesioni, come la terapia di neurostimolazione e la cura/monitoraggio cardiovascolare.

Richiedono interventi chirurgici regolari per la sostituzione della batteria, il che può portare a complicazioni per i pazienti come infezioni del sito chirurgico, formazione di biofilm e alti costi sanitari.

Alcuni metodi cercano di utilizzare l’energia ambientale del corpo, come quella dello zucchero nel sangue, per alimentare questi dispositivi.

Per alcune applicazioni, i requisiti di potenza rendono tali opzioni irrealistiche. Per le future applicazioni come gli impianti neurali, è ancora meno probabile che funzionino, mantenendoli molto invasivi.

Il trasferimento remoto di energia con sistemi elettromagnetici o a onde radio penetra poco nei tessuti biologici e può causare effetti indesiderati.

Il trasferimento di energia wireless fotovoltaico è anch’esso inadatto a causa di problemi di scarsa penetrazione della luce nei tessuti e di danni termici ai tessuti.

Al contrario, gli ultrasuoni sono ben tollerati dai tessuti biologici e possono penetrare in profondità senza causare danni, motivo per cui sono utilizzati di routine per scopi diagnostici, anche su donne in gravidanza.

Come gli ultrasuoni consentono la ricarica wireless degli impianti

Grazie alla sua lunga storia di utilizzo nella diagnostica, gli ultrasuoni beneficiano già di un ampio corpus di studi medici e norme che determinano i livelli di energia sicuri degli ultrasuoni utilizzabili (la FDA definisce questo valore come un massimo di 0,72 W per centimetro quadrato).

Due tipi di dispositivi possono convertire gli ultrasuoni in elettricità: piezoelettrici (US-PENG) e nanogeneratori triboelettrici (US-TENG).

Gli US-PENG sono stati sviluppati per alimentare impianti elettronici, ma si basano comunemente su ceramiche piezoelettriche a base di piombo, spesso rigide e potenzialmente tossiche.

Per questo i ricercatori si sono concentrati invece sulla tecnologia US-TENG.

Questo dispositivo rivestito biocompatibile, con uno spessore di 0,4 mm, raggiunge un’alta densità di carica adatta per alimentare dispositivi elettronici fino a ≈6 cm di profondità con intensità di ultrasuoni non invasive.

Come funziona

Sono stati utilizzati sottili film polimerici per creare un US-TENG completamente flessibile, con strati di materiale plastico impilati l’uno sull’altro, inclusi acrilico o poli-(metacrilato di metile) (PMMA).

Fonte: Advanced Materials

Sono stati utilizzati alcheni perfluoroalchilici (PFA) per le loro proprietà triboelettriche sotto energia meccanica. È stato depositato uno strato di elettrodo su scala nanometrica per mantenere le proprietà uniche del film PFA.

È stato inoltre utilizzato uno strato robusto di poliuretano (PU) e di fluoruro di vinilideno (P(VDF‑TrFE)) combinato con titanato di calcio e rame (CCTO) per massimizzare la produzione di carica elettrica.

Fonte: Advanced Materials

Testare l’impianto alimentato a ultrasuoni in condizioni reali

L’intero dispositivo è stato poi incapsulato in una soluzione di polidimetilsilossano (PDMS) per l’impermeabilizzazione.

Questo US-TENG flessibile è stato testato per le prestazioni in acqua, polimero/idrogel e tessuto suino.

La prima applicazione pratica sarebbe integrare questo dispositivo in un pacemaker, eliminando la necessità di ulteriori interventi chirurgici per cambiare la batteria del dispositivo.

Fonte: Advanced Materials

Parallelamente, è stata confermata la biocompatibilità del composito P(VDF‑TrFE)/CCTO in termini di citotossicità e genotossicità, verificando che sia pratica altrettanto sicura come affermavano gli studi precedenti.

La generazione di energia è stata misurata con precisione usando un vibrometro laser, verificando le vibrazioni del dispositivo. Questo ha confermato un aumento del 44% del guadagno dell’US‑TENG rispetto alla versione precedente della stessa categoria tecnologica.

Fonte: Advanced Materials

Infine, hanno testato l’efficienza del sistema in base all’intensità degli ultrasuoni, alla distanza e all’angolo della sorgente ultrasonica, determinando se potesse essere utilizzato in condizioni realistiche per un dispositivo medico nel corpo umano.

È stato confermato che un’intensità relativamente bassa degli ultrasuoni, una distanza fino a 4‑8 centimetri (1,5‑3 pollici) e un intervallo relativamente ampio di angoli possono funzionare.

Fonte: Advanced Materials

Garantire flessibilità e durata degli impianti medici

Un’altra sfida degli impianti medici è che idealmente devono essere molto flessibili, poiché il corpo umano non è una struttura robotica e gli organi si muovono, soprattutto il muscolo cardiaco.

Per questo i ricercatori non solo hanno utilizzato materiali flessibili, ma hanno anche misurato se rimanessero sufficientemente efficienti quando piegati.

Fonte: Advanced Materials

Hanno scoperto che perdeva un po’ di generazione di energia quando piegato in una direzione, ma ne guadagnava di più quando piegato nell’altra direzione. L’aumento della generazione di energia era dovuto a una migliore cattura delle onde ultrasoniche nel dispositivo a forma di ciotola e a un aumento delle collisioni d’onda sulla superficie del dispositivo.

Questo dimostra comunque che il dispositivo può essere piegato senza danneggiare o perdere le sue proprietà di generazione di energia.

Attraverso questa ricerca, abbiamo dimostrato che la tecnologia di trasmissione di energia wireless mediante ultrasuoni può essere applicata praticamente.

Prevediamo di condurre ulteriori ricerche per la miniaturizzazione e la commercializzazione al fine di accelerare l’applicazione pratica della tecnologia.

Dr. Sunghoon Hur – Ricercatore presso KIST

Considerazioni finali: Prossimi passi per la tecnologia degli impianti a ultrasuoni

I dispositivi medici che potrebbero essere ricaricati in modalità wireless rappresenterebbero un miglioramento enorme per milioni di pazienti a livello globale.

Ciò rimuoverebbe anche la limitazione di idee di impianti più ambiziose finora vincolate dalla mancanza di un’alimentazione energetica realistica sufficiente a svolgere il compito. Potrebbe includere impianti che somministrano farmaci direttamente nel flusso sanguigno, monitorano specifici chimici, impianti neurali, ecc.

Questa tecnologia di impianto potrebbe essere rapidamente implementata, con uno spessore di soli 0,4 mm, elevata flessibilità, buona biocompatibilità e facilità di produzione senza materiali rari ed esotici.

La tecnologia potrebbe trovare applicazioni anche al di fuori dei dispositivi medici, poiché potrebbe essere utilizzata altrettanto facilmente per ricaricare droni subacquei senza necessità di contatto, eliminando la necessità di creare caricabatterie elettrici impermeabili.

Investire nella HealthTech 

Koninklijke Philips N.V.

Philips è un noto marchio di elettronica di consumo (rasoio, spazzolini elettrici), attivo anche nel settore sanitario. Ad esempio, è stato il numero 1 per le domande di brevetto MedTech in Europa nel 2022.

È attiva nei prodotti medici connessi, dai dispositivi indossabili all’imaging, ai respiratori o ai robot medici.

L’azienda è anche attiva nei semiconduttori (inclusa la tecnologia maglev) e nell’alta tecnologia/robotica/automazione, con ogni attività che condivide una base tecnologica comune.

Fonte: Philips

Philips offre dispositivi indossabili per metriche cardiache, respiratorie e di attività. I suoi sensori possono essere integrati in smartwatch, monitor di salute, cerotti medici e tracker di attività.

L’expertise di Philips in sensori biocompatibili, semiconduttori e soluzioni wireless potrebbe renderla leader negli impianti medici avanzati con ricarica wireless.

Per i dispositivi medici, Philips preferisce una soluzione di partnership, dove sviluppa per terze parti i loro dispositivi medici IoT (Internet of Things) connessi, pienamente compatibili con il resto delle soluzioni Philips. In questo contesto, offre ai clienti prototipazione, consulenza normativa, sviluppo prodotto end‑to‑end e produzione su scala industriale.

Ciò rende Philips un’azienda focalizzata sulla tecnologia e un candidato probabile per integrare rapidamente le innovazioni nei dispositivi medici esistenti. In totale i dispositivi Philips hanno influenzato direttamente più di 1,8 miliardi di persone.

L’azienda vuole creare un ambiente sanitario digitale completamente integrato, in cui i sensori corrispondono ai dispositivi, e poi utilizzare molteplici soluzioni di connettività per integrarsi nella soluzione Philips HealthSuite Cloud e consentire analisi approfondite dei dati.

Fonte: Philips

Come fornitore dell’industria MedTech, spesso produce per altri marchi, Philips non è così visibile nel settore come altre aziende più prominenti. Tuttavia, è esperta nella costruzione di dispositivi elettronici ad alte prestazioni e sensori, spingendo spesso i limiti di ciò che è possibile nella sua nicchia in ambito sanitario e indossabili.

Con i dispositivi indossabili e l’elettronica medica sempre più integrati nei protocolli sanitari e medici, il segmento Healthcare di Philips probabilmente crescerà come parte del conglomerato.

Ultime notizie e sviluppi sulle azioni di Koninklijke Philips N.V. (PHG)

Riferimento allo studio:

^{1. Iman M. Imani, Hyun Soo Kim, et al. A Body Conformal Ultrasound Receiver for Efficient and Stable Wireless Power Transfer in Deep Percutaneous Charging. Advanced Materials. Volume37, Numero19. 12 maggio 2025}