Sensore impiantabile che misura le funzioni corporee


Sensore impiantabile che misura le funzioni corporee

Progettato un sensore di gas flessibile altamente sensibile che può essere impiantato nel corpo per poi biodegradarsi in modo sicuro in materiali che vengono assorbiti dal corpo.

I sensori che monitorano le condizioni di un paziente durante e dopo le procedure mediche possono essere costosi, scomodi e persino pericolosi. Ora, un team internazionale di ricercatori ha progettato un sensore di gas flessibile altamente sensibile che può essere impiantato nel corpo e, quando non è più necessario, si biodegrada in modo sicuro in materiali che vengono assorbiti dal corpo.

In uno studio, i ricercatori hanno riferito di aver progettato un sensore flessibile e impiantabile in grado di monitorare varie forme di gas di ossido nitrico (NO) e biossido di azoto (NO2) nel corpo. Il monitoraggio di questi tipi di gas è importante perché possono svolgere un ruolo benefico o, a volte, dannoso per la salute umana, secondo Huanyu “Larry” Cheng, (1) Dorothy Quiggle Career Development Professor presso il Dipartimento di Ingegneria, Scienza e Meccanica e un'affiliata del Institute for Computational and Data Sciences.

L'ossido nitrico, ad esempio, che viene prodotto naturalmente nel corpo umano, svolge un ruolo importante per la salute perché rilassa o allarga i vasi sanguigni per migliorare il flusso del sangue, consentendo all'ossigeno e ai nutrienti di circolare attraverso il corpo. D'altra parte, l'esposizione al biossido di azoto dall'ambiente è collegata alla progressione di condizioni come la broncopneumopatia cronica ostruttiva, ha detto Cheng, che è anche affiliato con il Materials Research Institute. L'ossido nitrico è altamente reattivo e può essere trasformato in biossido di azoto se esposto all'ossigeno.

Il team, che riporta le proprie scoperte nel giornale NPG Asia Materials, (2) ha aggiunto una svolta al design del sensore rendendolo da materiali che non sono solo impiantabili, flessibili ed estensibili, ma anche biodegradabili. Sebbene i dispositivi attuali siano utilizzati al di fuori del corpo per monitorare i livelli di gas, Cheng ha affermato che sono ingombranti e potenzialmente non accurati come un dispositivo impiantabile. I dispositivi impiantabili, tuttavia, devono essere rimossi, il che potrebbe significare un'altra operazione. I ricercatori hanno studiato un design che non deve essere rimosso.

Il dottor Huanyu “Larry” Cheng spiega: «Supponiamo che tu abbia un intervento di cardiochirurgia, il monitor esterno al corpo potrebbe non essere sufficiente per rilevare il gas. In tal caso potrebbe essere molto più vantaggioso monitorare i livelli di gas dalla superficie del cuore o da quegli organi interni. Questo sensore di gas è impiantabile e anche biodegradabile. Rendere biodegradabile il dispositivo è stato un obiettivo su cui abbiamo lavorato. Il paziente che si riprende completamente da un intervento chirurgico non ha più bisogno del dispositivo. Qui entra in gioco l'utilità della biodegrabilità di questo apparato».

Secondo i ricercatori, tutti i componenti sono biodegradabili in acqua o nei fluidi corporei, ma rimangono sufficientemente funzionali nel percepire le informazioni sui livelli gassosi. In questo caso, gli studiosi hanno realizzato i conduttori del dispositivo, gli elementi che veicolano l'elettricità, in magnesio e per i materiali funzionali hanno utilizzato il silicio, che è anche altamente sensibile all'ossido nitrico.

Il corpo può assorbire in sicurezza tutti i materiali utilizzati nel dispositivo. Un ulteriore vantaggio del design è che i materiali si dissolvono a una velocità sufficientemente lenta da consentire ai sensori di funzionare nel corpo durante il periodo di recupero del paziente.

Secondo il dottor Cheng «Il silicio è unico: rappresenta l'elemento costitutivo dell'elettronica moderna e le persone lo considerano estremamente stabile. Anche il silicio ha dimostrato di essere biodegradabile. Può dissolversi in modo molto lento, a circa uno o due nanometri al giorno, a seconda dell'ambiente».

Secondo i ricercatori, il sensore è stato testato in ambienti umidi e soluzioni acquose per dimostrare che poteva funzionare stabilmente nelle condizioni difficili del corpo.

Il team ha utilizzato le risorse di calcolo del supercomputer Roar di ICDS per creare simulazioni in grado di calcolare cambiamenti estremamente piccoli causati da lievi mutamenti di forma o deformazioni del materiale.

«Basiamo la misurazione sulla resistenza, che può cambiare in base all'assorbimento del gas, ma può anche essere modificata a causa della deformazione», ha detto Cheng. «Quindi, se deformiamo il sensore sulla superficie della pelle, ciò causerà una grande forza e un grande cambiamento nella resistenza e non avremmo idea se le prestazioni del gas siano dovute alla deformazione o all'ambiente esposto».

I ricercatori affermano che il lavoro futuro potrebbe esaminare la progettazione di sistemi integrati in grado di monitorare altre funzioni corporee per un invecchiamento sano e varie applicazioni di malattie.

Questo lavoro è stato sostenuto da una borsa di studio della Korea University, KU-KIST Graduate School of Converging Science and Technology Program, la National Research Foundation of Korea e il Technology I-novation Program, l'American Chemical Society Petroleum Research Fund e la National Science Foundation.

Il gruppo di ricerca ha incluso: Chong-Yun Kang, professore; Gwan-Jin Ko, studente di dottorato; Jeong-Ki Kim, studente laureato; Jinmook Chung, studente laureato; Ha vinto Bae Han, professore di ricerca; Seung Min Yang, studente di dottorato; Dong-Hwee Kim, professore; Suk-Won Hwang, professore e Chong-Yun Kang, professore, tutti della KU-KIST Graduate School of Converging Science and Technology; Soo Deok Han, ricercatore associato, Cambridge University; e Jia Zhu, studentessa laureata in ingegneria e meccanica, Penn State.

Riferimenti:

(1) Huanyu “Larry” Cheng

(2) Biodegradable, flexible silicon nanomembrane-based NOx gas sensor system with record-high performance for transient environmental monitors and medical implants

Descrizione foto: I ricercatori affermano che un sensore flessibile e impiantabile in grado di monitorare varie forme di gas di ossido nitrico (NO) e biossido di azoto (NO2) è importante perché questi gas possono avere un impatto significativo sulla salute umana. - Credit: Penn State.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Implantable sensor could measure bodily functions -- and then safely biodegrade

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