Il gold standard del monitoraggio continuo prevede l’impiego di tecnologie invasive e non miniaturizzabili, limitando la qualità della vita del paziente. I ricercatori del National Key Laboratory of Science and Technology on Micro/Nano Fabrication – Università di Pechino, hanno sviluppato un sensore completamente wireless che sfrutta l’accoppiamento magnetico per prelevare i segnali biologici e comunicarli verso l’esterno. Il dispositivo, privo di chip e batteria, potrà acquisire e rilevare segnali biofisici e biochimici senza la necessità di fili o circuiti complessi e ingombranti.
Un’alternativa al monitoraggio tradizionale
Il monitoraggio continuo dei parametri biologici è di fondamentale importanza per la prevenzione, la diagnosi e il trattamento di molte patologie. I sensori impiantabili possono rilevare e acquisire diversi parametri fisiologici, come le proprietà biomeccaniche o la concentrazione di biomarcatori nei tessuti. Tuttavia questi dispositivi necessitano di elettrodi transcutanei o componenti ingombranti per estrapolare i segnali biologici di interesse, compromettendo la biocompatibilità e l’indossabilità degli stessi.
Le soluzioni wireless più comuni prevedono l’uso di sistemi bluetooth o near-field communication (i.e., NFC), che presentano sfide per l’inserimento minimamente invasivo, la biocompatibilità e l’alimentazione energetica.
Per superare questi limiti, un gruppo di ricerca dell’Università di Pechino ha progettato un sistema di impianti magnetici di dimensioni millimetriche che non necessitano di chip e batteria, accoppiati a un dispositivo indossabile. Questo dispositivo indossabile esterno induce una vibrazione smorzata ad elevata ampiezza negli impianti magnetici, e rileva i movimenti della parte impiantata in modalità wireless.
Design e principio di funzionamento
Il dispositivo indossabile (Figura 1a) per la trasmissione è costituito da:
- una bobina di rame – che converte la corrente pulsata in un campo magnetico;
- un sensore di magnetoresistenza a tunnel (TMR) – per misurare il campo magnetico generato dall’impianto;
- quattro sensori basati sull’effetto Hall – usati per localizzare l’impianto;
- un circuito integrato (SoC, i.e. System on Chip) bluetooth per la comunicazione via smartphone, una batteria ricaricabile agli ioni di litio per l’alimentazione e un rivestimento morbido in silicone.
Il sensore magnetico, completamente impiantabile (Figura 1b), comprende invece:
- un micro-magnete al neodimio rivestito di parylene-C – che garantisce biocompatibilità e protezione;
- una membrana elastica in polidimetilsilossano (PDMS) – che consente movimenti ad ampie oscillazioni del sensore;
- un substrato ancora in PDMS – con una cavità centrale che ospita il micro-magnete e ne permette la vibrazione.


Funzionamento
Il funzionamento del sistema si basa sull’interazione magnetica dinamica tra il dispositivo indossabile e l’impianto magnetico (Figura 2). Il dispositivo indossabile genera quindi un campo magnetico alternato, che induce la vibrazione del micro-magnete impiantato. Quando il micro-magnete vibra, genera a sua volta un campo magnetico variabile che viene rilevato dal sensore TMR del dispositivo indossabile. Il sensore è in grado di captare anche le più piccole variazioni del campo magnetico, convertendo poi le informazioni in segnali analogici che vengono infine digitalizzati e trasmessi via bluetooth a un terminale mobile per un’analisi in tempo reale. Inoltre il sensore TMR permette di raggiungere elevati rapporto segnale-rumore (SNR) – parametro tanto più alto quanto migliore è la qualità del segnale.

Sperimentazione su modello animale
Il sensore magnetico rivestito di parylene-C biocompatibile è stato testato in vitro e in vivo su ratti per valutarne biocompatibilità e sicurezza. Il test in vitro ha mostrato che l’impianto del sensore ha un impatto minimo sulla proliferazione cellulare.
Per la sperimentazione in vivo, i ricercatori hanno impiantato il sensore nel tessuto cerebrale dei ratti, fissandolo con del cemento dentale. L’impianto è stato posizionato in modo che il micro-magnete fosse rivolto verso il liquido cerebrospinale (CSF, i.e. Cerebrospinal Fluid) (Figura 3). Per garantire un buon accoppiamento, il dispositivo indossabile è posizionato a livello della testa.

I test di immunofluorescenza eseguiti hanno confermato l’assenza di effetti avversi sul tessuto cerebrale a due settimane dall’impianto. A tre mesi dall’impianto, nessuna infiammazione è stata rilevata a livello degli organi vitali periferici.
Un monitoraggio wireless sicuro e affidabile
Questa tecnologia ha permesso di misurare con precisione diversi parametri biofisici e biochimici, tra cui la pressione intracranica (ICP), la viscosità e i livelli di glucosio del CSF. La viscosità del CSF è stata alterata per riscaldamento controllato e l’ICP per compressione addominale. Le misure di glucosio, infine, sono state ottenute iniettando soluzioni di glucosio direttamente nel tessuto cerebrospinale.
Si è inoltre osservato che le condizioni fisiologiche circostanti il dispositivo ne influenzano i movimenti dei componenti come segue:
- una maggiore viscosità del CSF porta a un aumento della velocità di smorzamento delle vibrazioni;
- un aumento della ICP deforma la membrana, facendo aumentare la frequenza di vibrazione;
- un maggiore assorbimento di glucosio (dovuto ad un aumento di concentrazione dello stesso) sulla superficie del micro-magnete aumenta la massa, riducendo la frequenza di vibrazione.
Inoltre, il sistema così progettato permette il rilevamento simultaneo di diversi parametri, utilizzando più impianti magnetici ottimizzati per il riconoscimento selettivo degli analiti (Figura 4).

Conclusioni e prospettive future
L’utilizzo di impianti magnetici abbinati a un dispositivo indossabile garantisce un monitoraggio wireless innovativo, eliminando le componenti ingombranti. La sperimentazione animale ha dimostrato la biocompatibilità e l’efficacia nella rilevazione di parametri cerebrali critici.
Le future applicazioni potrebbero estendersi al monitoraggio di parametri diversi in altri distretti corporei, come la regione addominale e il sistema cardiovascolare. Sviluppi successivi potrebbero includere l’ulteriore miniaturizzazione degli impianti, l’aumento della distanza di rilevamento e l’impiego di superfici ottimizzate per rilevare un maggior numero di biomolecole. Infine, la stabilità a lungo termine potrebbe essere migliorata mediante rivestimenti specializzati per aumentarne anche l’affidabilità. In futuro, questi dispositivi potranno quindi rivelarsi potenti strumenti diagnostici, superando i limiti della bio-elettronica tradizionale.
C’è una grande richiesta di sensori impiantabili wireless in vari scenari clinici. Attualmente, ci stiamo concentrando sul miglioramento della stabilità a lungo termine dopo l’impianto.
M. Han, professore associato di ingegneria biomedica presso l’Uversità di Pechino e membro del gruppo di ricerca.
Fonti e approfondimenti:
- IEEE Spectrum – Tiny Biosensor Is Just a Cup, a Membrane, and a Magnet
- Science – Millimeter-scale magnetic implants paired with a fully integrated wearable device for wireless biophysical and biochemical sensing