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Diagnostica Sistemi Protesici

Microsensori ed elettronica flessibile per uno sguardo più attento al diabete e al glaucoma

Scritto da Federico Fabrizi
I poeti affermano che gli occhi sono una finestra per l’anima, ma gli ingegneri biomedici usano gli occhi per avere una visione completa del corpo. Lenti a contatto intelligenti e lenti impiantabili per diagnosticare, monitorare e trattare una vasta gamma di malattie, sembrano una tecnologia futuristica, ma stanno diventando realtà.

 

Nel 2014, due delle più grandi aziende multinazionali, hanno siglato un accordo, che ha portato questa nuova tecnologia ad un punto di svolta. Google, attraverso il suo ramo di ricerca in biologia, chiamato Verily Life Sciences, e il gigante farmaceutico svizzero Novartis International, attraverso la sua divisione di cura dell’occhio chiamata Alcon , hanno deciso di unire le forze per progettare, sviluppare e commercializzare lenti a contatto intelligenti per i diabetici. Se tale progetto raggiungerà gli obiettivi prefissati, ciò permetterà alle persone diabetiche di velocizzare  notevolmente le procedure utilizzate per la misurazione del glucosio nel sangue.

Verily e Alcon, non sono gli unici a spingere in avanti la tecnologia delle lenti intelligenti. Nei laboratori di tutto il mondo, gli ingegneri biomedici hanno fatto progressi eccezionali per diagnosticare le malattie e consentire un monitoraggio discreto e continuo dei pazienti, sfruttando questa nuova tecnologia.

Che tipi di lenti intelligenti esistono ?

Tutti gli sforzi per la realizzazione e fabbricazione, si basano su due tipi di lenti intelligenti: lenti a contatto simili a quelle utilizzate per la correzione della vista e le lenti intraoculari che devono essere impiantate chirurgicamente nell’occhio. Le prime, sono ovviamente più facili da posizionare nell’occhio, in quanto possono essere fatte scivolare dal dito direttamente sull’occhio. Inoltre consentono l’applicazione di una più ampia gamma di microsensori fisici e biochimici, in quanto tali lenti possono essere sostituite molto semplicemente, quando i sensori si consumano. Le lenti intraoculari, d’altro canto, consentono un monitoraggio a lungo termine senza che il paziente debba fare alcuna azione per la sostituzione della lente.

Entrambi i tipi di lenti beneficiano di nuovi tipi di elettronica flessibile, basata su strutture microscopiche o semitrasparenti. Inoltre, i progressi nella scienza dei materiali hanno reso possibile anche la realizzazione di lenti da materiali come l’idrogel, che può resistere allo stress fisico, dovuto ai movimenti naturali degli occhi ed inoltre permette all’ossigeno di passare agevolmente e nutrire l’occhio. Anche se rimangono importanti sfide tecniche, si sta cominciando a guardare negli occhi della gente – non per rivelazioni emotive, ma bensì mediche.

Occhio dorato: L’obiettivo intelligente di contatto di Triggerfish per il monitoraggio del glaucoma utilizza un’antenna in oro per ricevere e inviare dati.

Per adattarsi comodamente nell’occhio o sull’occhio, una lente intelligente deve misurare circa 14 millimetri di diametro e solo da 100 a 200 micrometri di spessore. Quel piccolo disco curvo deve poter incorporare sensori e microelettronica per gestire il consumo energetico, controllare le operazioni dei sensori e trasmettere le letture di quest’ultimi ad un dispositivo esterno, ad esempio uno smartphone, in grado di immagazzinarli e renderli fruibili sia al paziente, che al medico.

Come si alimentano le lenti intelligenti ?

Le sfide più grandi per gli ingegneri, nella progettazione di queste lenti intelligenti, sono il fornire la giusta potenza per alimentare la microelettronica della lente e assicurarsi che i sensori forniscano una lettura affidabile.

Le batterie convenzionali sono troppo grandi e il loro involucro deve essere sicuramente rielaborato per assicurare che le eventuali perdite di sostanze chimiche non causino danni all’utilizzatore. Risulta quindi più indicato il trasferimento di potenza wireless (Wireless power transfer). Ciò però ha un inconveniente, infatti la fonte di potenza deve essere molto vicina alla lente, di solito pochi centimetri. Per risolvere in modo discreto questo problema, alcuni sistemi sperimentali incorporano il trasmettitore di potenza nel telaio degli occhiali.

Il modo più conveniente per trasmettere la potenza wireless è l’accoppiamento induttivo a campo vicino, lo stesso metodo utilizzato per caricare spazzolini elettrici nelle loro stazioni base e smartphone sui pad di ricarica. Per le lenti intelligenti, la bobina di trasmissione può essere posizionata negli occhiali e la bobina ricevente è incorporata vicino al bordo esterno della lente a contatto. L’accoppiamento induttivo a campo vicino funziona a basse frequenze, in genere un paio di megahertz, per cui la trasmissione non costituisce una minaccia per il tessuto oculare. Recentemente alcuni laboratori hanno sperimentato un accoppiamento induttivo a campo lontano, alimentando la lente a contatto tramite microonde, ma tali sistemi funzionano a frequenze più alte (solitamente pochi gigahertz) e di conseguenza richiedono maggiori precauzioni per evitare danni al tessuto oculare.

Un approccio più futuristico è quello di far sì che le lenti a contatto si autoalimentino. All’Università di Ghent, in Belgio, nel laboratorio del Prof. Herbert de Smet hanno inserito delle celle fotovoltaiche miniaturizzate in delle lenti a contatto, per immagazzinare l’energia solare. Altri ricercatori stanno studiando come utilizzare elementi piezoelettrici per trasformare le vibrazioni causate dai movimenti naturali degli occhi in energia elettrica. Samsung, ad esempio, ha recentemente presentato un brevetto su di una lente intelligente piezoelettrica. Un’altra idea molto complicata, prevederebbe di  utilizzare le celle a combustibile per convertire le sostanze chimiche presenti nelle lacrime umane in energia elettrica. Naturalmente, passerà del tempo prima che queste nuovissime tecnologie siano pronte per l’uso reale.

Telltale Tears: Questa lente a contatto per il monitoraggio del diabete, ancora in fase di sviluppo da parte dei ricercatori di Google e Novartis, misura i livelli di glucosio nei liquidi presenti negli occhi.

Biosensori nelle lenti

La progettazione di biosensori per lenti intelligenti costituisce un’altra grande sfida. Le lenti a contatto intelligenti necessitano di sensori altamente precisi che possano essere fabbricati a basso costo (in particolare se le lenti sono usa e getta), mentre le lenti intraoculari intelligenti necessitano di sensori che continuino a lavorare all’interno degli occhi, per almeno dieci anni, in modo da  evitare interventi ripetuti per la sostituzione delle lenti. I biosensori, che si basano su una reazione enzimatica per rilevare biomarcatori come glucosio o lattato nei fluidi dell’occhio non durano a lungo, poichè l’attività enzimatica di tali sensori diminuisce  nel corso del tempo. Alcuni gruppi di ricerca stanno pertanto lavorando su biosensori in nanoscala, in modo che centinaia o addirittura migliaia di sensori possano essere incorporati in una lente, aumentando così la longevità della stessa.

Per le 422 milioni di persone in tutto il mondo che soffrono di diabete, una lente a contatto intelligente con un microsensore che misura continuamente i livelli di glucosio potrebbe essere una tecnologia, che cambia drasticamente la qualità della vita. Oggigiorno, la maggior parte dei diabetici controlla i livelli di glucosio tramite continui fori sul dito o con elettrodi sottocutanei, che richiedono continue punture per la calibrazione degli elettrodi stessi.  Tutto ciò è necessario poiché il livello di glucosio cambia in risposta ai pasti che si fanno, all’esercizio fisico e ad altre attività comuni. Invece, le lenti a contatto intelligenti permettono un monitoraggio continuo, attraverso i fluidi che bagnano l’occhio. Per monitorare il diabete, la maggior parte delle lenti, utilizza sensori che misurano la concentrazione di glucosio nelle lacrime basali, il fluido che lubrifica la cornea e la pulisce dalla polvere.

Molti tipi di sensori sono stati sviluppati per misurare il glucosio dalle lacrime. Il più noto è il sensore elettrochimico ideato da Babak Parviz, mentre era professore di ingegneria elettrica presso l’Università di Washington. Questo sensore utilizza un enzima che catalizza il glucosio per creare il perossido di idrogeno, che viene ulteriormente ossidato all’elettrodo, per liberare gli elettroni,  che a loro volta generando una corrente elettrica proporzionale alla concentrazione di glucosio. Altri tipi di sensori utilizzano, invece, particelle fluorescenti o cristallo-colloidali per fornire una lettura ottica che indica la quantità di glucosio presente.

Bisogna però risolvere dei problemi…

Prima che una di queste tecnologie possa trasformarsi in un prodotto commerciale, i ricercatori devono ancora rispondere a diverse domande di carattere tecnico-scientifico. La prima riguarda la minima quantità di glucosio da utilizzare per la diagnostica del diabete: i livelli tipici di glucosio della lacrima vanno da 0,1 a 0,6 millimoli, mentre i livelli di glucosio nel sangue sono compresi tra circa 4 e 6 millimoli. Alcuni ricercatori sostengono pertanto che le sole lacrime non contengono informazioni sufficienti per il monitoraggio del diabete. Altri scienziati replicano, citando studi che hanno esaminato le lacrime usando la spettrometria di massa, la tecnica per eccellenza della chimica analitica, scoprendo che il glucosio è presente a bassi ma consistenti livelli. Purtroppo, è impossibile miniaturizzare ed incorporare uno spettrometro di massa su una lente intelligente! Bisognerà aumentare sempre di più la precisione dei sensori biochimici, anche se  non potranno mai fornire gli stessi precisi risultati della spettrometria di massa.

Inoltre, si sta discutendo la correlazione tra i livelli di glucosio nel sangue e quelli nelle lacrime. Gli studi sugli animali hanno mostrato un tempo medio di ritardo di 13 minuti, tra un aumento o una caduta del livello di glucosio nel sangue, rispetto a quando tale cambiamento si manifesta nelle lacrime. Se tale ritardo risulterà essere consistente anche nell’uomo, potrebbe essere tenuto in considerazione durante la calibrazione di sistemi intelligenti. Inoltre c’è la questione della composizione chimica dei tre diversi tipi di lacrime: le lacrime basali che lubrificano l’occhio, le lacrime causate dall’irritazione degli occhi e le lacrime “sincere” che nascono dalle emozioni.  Si stanno facendo degli studi a riguardo, per capire se la quantità di glucosio, sia significativamente diversa tra i tre tipi di fluidi. Nonostante queste domande aperte, le lenti a contatto intelligenti hanno un grande potenziale per il monitoraggio medico. I ricercatori stanno già esaminando sostanze diverse dal glucosio che si trovano nell’occhio e potrebbero essere utilizzate per diagnosticare altri disturbi. Ad esempio, il lattato nelle lacrime potrebbe essere un preavviso per la sepsi, un’infezione acuta, killer comune negli ospedali.

Lenti intelligenti anche per la diagnostica del glaucoma

Il glaucoma affligge 67 milioni di persone in tutto il mondo ed è la causa principale della perdita irreversibile della vista e della cecità. Le prime due lenti intelligenti prodotte per entrare nel mercato commerciale, sono una lente a contatto e una lente impiantata per aiutare i pazienti con questa malattia devastante.

I medici sanno che il più grande fattore di rischio per il glaucoma è la pressione intraoculare alta (IOP), che danneggia il nervo ottico. Le lenti intelligenti potrebbero fare meglio del semplice strumento usato dagli oculisti, perché permetterebbero la misura continua della IOP, usando sensori incorporati nella lente. L’ IOP di un occhio umano sano è tra 1.300 e 2.800 Pascal, mentre in un occhio malato la pressione può variare da 500 a 6.500 Pascal. Per di più, l’ IOP di un individuo varia con il loro ritmo circadiano, la  pressione più alta di solito si ha durante la notte, mentre la persona è a letto. Ottenere un monitoraggio delle 24 ore della IOP è molto prezioso per gli oculisti, poichè permette di tracciare l’effettivo andamento della IOP del paziente.

La lente a contatto per la rilevazione del glaucoma viene commercializzata e prodotta dalla società biomedica Sensimed , con sede a Losanna, in Svizzera. La sua lente di Triggerfish, già disponibile in 33 paesi, ha recentemente ottenuto l’autorizzazione per l’uso negli Stati Uniti. La morbida lente monouso, utilizza sensori a pressione piezoresistivi  per misurare la IOP. I sensori rilevano la leggera modifica della circonferenza della cornea, quando si allarga a causa della pressione del fluido dall’ interno dell’occhio. Le letture di pressione vengono prese ogni 5 minuti in un periodo di 24 ore e la lente trasmette i dati in modalità wireless, utilizzando l’induzione a campo vicino, ad un ricevitore posto in una benda adesiva che circonda l’occhio dell’utente. Un filo collega il ricevitore ad un dispositivo di registrazione che il paziente indossa in un sacchetto appeso al collo.

Per diagnosticare e monitorare il glaucoma, tre diverse varietà di lenti intelligenti possono registrare la pressione intraoculare. La lente a contatto Triggerfish trasmette le informazioni ad un patch adesivo collegato ad un dispositivo di registrazione. Illustrazione: MCKIBILLO

Per il monitoraggio a lungo termine, i medici possono implantare l’obiettivo Eyemate durante la procedura di cataratta di routine; il paziente utilizza regolarmente un dispositivo palmare per raccogliere dati dall’obiettivo e trasmetterlo al cloud. Illustrazione: MCKIBILLO

In un sistema sperimentale creato dall’autore, una lente implantata trasmette i dati ai telai per occhiali, che si collegano tramite Bluetooth allo smartphone dell’utente. Illustrazione: MCKIBILLO

I medici usano tale dispositivo per diagnosticare i pazienti potenzialmente a rischio di sviluppare il glaucoma, così come per i pazienti con glaucoma esistenti, permettendo loro controlli periodici per tenere traccia del progresso della malattia. Per ora, è qui che finisce l’utilità della Triggerfish; il sistema è ancora troppo ingombrante per poterne farne un uso a lungo termine.

Lenti a contatto vs. lenti intraoculari

Detto ciò, perché ci si preoccupa per gli interventi chirurgici, quando le lenti a contatto intelligenti  monouso sono molto più facili da usare?

La ragione più evidente è che una lente impiantata può fornire un monitoraggio a lungo termine, non solo un controllo delle 24 ore. L’altro motivo è la precisione: ad esempio, uno svantaggio della lente a contatto Triggerfish è che determina la pressione in modo indiretto: misurando prima la deformazione della cornea e poi correlando tali dati ad un valore di IOP. Questo passaggio di correlazione introduce naturalmente degli errori. Al contrario, la lente intraoculare Eyemate, prodotta dall’azienda ImplandataOphtalmic Products  di Hannover (Germania), misura direttamente la IOP e produce quindi dati più precisi. I suoi otto piccoli sensori di pressione assomigliano ai condensatori a piastre. Ogni sensore ha una piastra rigida e una membrana flessibile, e quando la membrana viene premuta  più vicino alla piastra, dalla pressione nell’occhio, la capacità complessiva cambia, generando un segnale analogico che viene trasformato in un segnale digitale dal chip.

Ad esempio,il team di cricerca di cui fa parte il  Prof. Diego Barrettino, presso l’università di Lucerna, sta sperimentato da lungo tempo, lenti intraoculari intelligenti per il monitoraggio del glaucoma e per altre applicazioni. La loro lente per il  glaucoma misura direttamente la IOP utilizzando sensori a pressione piezoresistivi. Questi sensori contengono conduttori elettrici che si estendono sotto pressione, modificando così la loro resistenza e fornendo una lettura della IOP. Hanno anche usato una lente impiantabile per monitorare le concentrazioni di glucosio nell’umor acqueo,  il fluido che riempie una camera dietro la cornea, ma i microsensori biochimici che hanno testato non sono durati abbastanza a lungo per essere utilizzati a lungo termine.

Mentre le sfide tecnologiche e scientifiche nello studio del “contatto intelligente”  e delle lenti intraoculari sono significative, il grande potenziale delle lenti per la diagnosi e il monitoraggio delle malattie garantisce che il lavoro continuerà. Nel prossimo decennio, ci si può aspettare l’introduzione commerciale di una vasta gamma di lenti a contatto intelligenti per applicazioni mediche. Nel frattempo, i ricercatori in tutto il mondo continuano a studiare nuovi biomarcatori nelle lacrime, sviluppare nuove tecnologie di raccolta e conservazione di energia, realizzare nuovi tipi di dispositivi elettronici flessibili e costruire biosensori più affidabili. Altri ricercatori stanno progettando lenti per curare la malattia, con componenti microfluidici, che forniscano farmaci a comando. Con queste nuove tecnologie avremo una migliore visione della biologia umana rispetto a prima!

Occhiali intelligenti autofocalizzanti con lenti liquide

Un team dell’Università degli Utah negli Stati Uniti ha invece sviluppato occhiali intelligenti costituiti da lenti a base di liquidi che permettono una focalizzazione automatica su ciò che la persona sta guardando.

La tecnologia prototipo, presentata nel 2017 al CES (Consumer Electronics Show) a Las Vegas, potrebbe mettere fine alla necessità, per chi porta gli occhiali, di dover passare da un occhiale all’altro e consentire agli ottici di apportare modifiche immediate alla prescrizione di un paziente.

Le lenti adattative, essenzialmente, sono costituite da membrane flessibili in gomma, piene di glicerina. La membrana posteriore in ogni lente è collegata ad una serie di tre attuatori meccanici, alimentati da una batteria nel telaio, che spingono la membrana avanti e indietro come un pistone trasparente, cambiando la curvatura della lente liquida e quindi la lunghezza focale tra la lente e l’occhio.

Mai più bifocali grazie alle lenti liquide con messa a fuoco intelligente

Nel frattempo, i sensori nel ponte degli occhiali utilizzano impulsi di luce a infrarossi per misurare la distanza degli oggetti, che sta guardando colui che indossa gli occhiali e di conseguenza istruire gli attuatori su come curvare le lenti.

Prima dell’uso, gli occhiali possono essere calibrati dall’utente tramite un’applicazione per smartphone. Questo può essere utilizzato per aggiornare gli occhiali con eventuali modifiche future alla prescrizione originale fatta al paziente.

Gli sforzi del team di ricercatori sono ora concentrati sulla riduzione dell’ingombrante struttura del prototipo e allo sviluppo di un dispositivo pronto per il mercato, attraverso la società di spinout Sharpeyes LLC. Il Prof Carlos Mastrangelo, che sta dirigendo la ricerca, ritiene che un prodotto basato sulla seguente  tecnologia potrebbe essere disponibile entro i prossimi tre anni.


Riferimenti ed approfondimenti:
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Informazioni autore

Federico Fabrizi

Studente di 21 anni, iscritto alla facoltà di Ingegneria Elettronica all’Università Sapienza di Roma. Interessato al campo della bioelettronica e dell’elettronica organica. Ha una grande passione per la divulgazione scientifica, in particolare nel campo biomedicale.

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