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Dalla natura all’innovazione biomedica: microaghi flessibili ispirati alle lumache di mare

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Scritto da Martina Alberici

La natura, da sempre fonte di ispirazione per l’uomo, continua a guidare le innovazioni anche nel campo dell’ingegneria biomedica. È il caso dell’array di microaghi flessibili e personalizzabili sviluppati dall’Università della California del Sud studiando il comportamento elettrico della muscolatura delle lumache di mare. 

La biomimetica per ispirare soluzioni biomediche 

La biomimetica, combinando discipline come l’ingegneria, la chimica e la biologia, osserva e replica la natura per trovare soluzioni innovative. Alcune di queste sono ormai assai conosciute, un esempio sono i materiali auto-pulenti ispirati alle foglie di loto o i biosensori fototermici e antibatterici ispirati alla pelle del camaleonte.

L’ispirazione in questo caso è arrivata dall’oceano: Hangbo Zhao, un ricercatore dell’Università della California del Sud ha sviluppato un array di microaghi per la misura dei segnali biologici e la stimolazione dei tessuti, il cui funzionamento è ispirato alla muscolatura delle lumache di mare (Figura 1).  

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Figura 1. Immagine ottica di un array di microaghi piegati e ruotati. Credits: ScienceAdvances

Infatti, i loro muscoli si contraggono e rilassano in risposta a stimoli elettrici, rendendoli estremamente flessibili e consentendo anche un controllo preciso del movimento. Integrando sensori e attuatori per la detezione di segnali elettrici nell’array, è stato possibile migliorare la funzionalità dei nuovi microaghi, garantendo misure più precise. 

Tecnologie tradizionali per la rilevazione dei segnali biologici: i MEMs

I microsistemi elettromeccanici (MEMs) sono sensori micrometrici con componenti meccaniche ed elettriche, già molto usati come strumenti diagnostici di misura dei segnali elettrofisiologici ed elettrochimici e per stimolare elettricamente i tessuti. Quelli tradizionali consistono solitamente in elettrodi disposti su substrati planari rigidi – come il silicio o il vetro: questo riduce la qualità del segnale rilevato e non permette la stimolazione sui tessuti biologici morbidi e dinamici. In alternativa sono disponibili sistemi tridimensionali, ottenuti però sovrapponendo dispositivi mono o bidimensionali o con tecniche di lavorazione molto complesse (come la fresatura a fascio ionico focalizzato). In questo caso la rigidezza è il limite principale, dato che non consente una perfetta adesione con i tessuti da cui rilevare i segnali.

In questo contesto, lo sviluppo di array più flessibili sarebbe assolutamente desiderabile al fine di consentire misure poco invasive per i pazienti ma affidabili: per questo il dispositivo sviluppato dal gruppo di Zhao può davvero cambiare la situazione.  

Il dispositivo: il nuovo processo di fabbricazione e la verifica di funzionalità 

Il dispositivo sviluppato consiste in un array di microaghi elettrici connessi tramite serpentine e legati a un substrato di elastomero siliconico (Ecoflex) (Figura 2). 

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Figura 2. Illustrazione schematica dell’array di microaghi prima e dopo uno stretching uniassiale. Il dispositivo si compone di microaghi polimerici con rivestimenti isolanti e conduttivi, serpentine di collegamento ed un substrato elastomerico. Credits: ScienceAdvances 

I microaghi in particolare sono fatti di poliimide (PI), un polimero termoindurente con buona resistenza termica ed alto modulo elastico per facilitarne l’inserimento senza rischio di rottura. Essi presentano poi un rivestimento isolante di parilene C – un polimero molto usato in simili applicazioni per la sua biocompatibilità e resistenza alla corrosione su tutta la struttura, eccetto per la punta conduttiva fatta invece di Cr/Au per il contatto elettrico. Le serpentine, a loro volta, garantiscono una connessione elettrica tra i vari aghi ma anche tra l’intera piattaforma ed un’elettronica esterna. 

Il processo di produzione è un’altra fondamentale novità di questa ricerca. Viene infatti impiegato un metodo ibrido che combina la lavorazione al taglio laser, la tecnica di replica molding (processo di replica di una geometria a partire da uno stampo negativo), la litografia micrometrica (un processo che utilizza maschere per trasferire un motivo su una superficie attraverso l’esposizione a luce o radiazioni e la successiva eliminazione del materiale in eccesso) e la stampa a trasferimento (Figura 3) . 

illustrazione processo produzione array microaghi biomimetici flessibili lumache
Figura 3: Illustrazione schematica del processo di produzione. Credits: ScienceAdvances 

Il processo di fabbricazione dei microaghi per dispositivi biomedicali inizia con la creazione di uno stampo negativo tramite lavorazione laser su PDMS, un polimero elastomerico noto per la sua biocompatibilità, facile lavorabilità e ottime proprietà meccaniche. Successivamente, nelle cavità dello stampo viene colato il precursore di poliimmide per formare la geometria desiderata dei microaghi. Le serpentine vengono realizzate tramite litografia, esponendo un materiale fotosensibile alla luce per ottenere motivi precisi. In seguito, un elastomero siliconico viene deposto e si lega covalentemente con i microaghi, permettendo di staccarli dal PDMS e ottenendo così il dispositivo finale. L’ultimo passo consiste nell’utilizzare un processo di incisione chimica per applicare un rivestimento di rame/argon (Cu/Ar) sulla punta degli aghi, garantendo spessore e lunghezza precisi e costanti. 

La tecnica, sebbene apparentemente complessa, in realtà è facilmente scalabile e permette di produrre un gran numero di sistemi, adattandoli anche alle diverse esigenze applicative. Ciò avviene ad esempio modificando la geometria, le aree di misura, la densità e il numero degli elettrodi. Inoltre, tramite questo processo innovativo, si conferiscono estrema flessibilità ed elasticità al dispositivo (raggiungendo un allungamento tra il 60-90% delle sue dimensioni), assicurando un’adesione stabile dell’array al corpo. Sono così garantite anche l’efficacia della misura o della terapia e un maggior comfort per il paziente rispetto ai dispositivi tradizionali di misura.  

Si tratta quindi di array particolarmente adatti alle misure di segnali elettrofisiologici di tessuti in movimento, come le misure EMG intramuscolari.  

Il gruppo di ricerca ha verificato la precisione del dispositivo di misura, valutando l’attività elettrica dei gruppi muscolari di una piccola chiocciola di mare, l’Aplysia californica, che viene spesso impiegata nello studio dei processi sinaptici.  

Il test è stato condotto andando a confrontare il nuovo array di microaghi, che riesce meglio a seguire la contrazione ed il rilascio dei muscoli, con un dispositivo tradizionale planare: nel primo caso, l’ampiezza in frequenza del segnale ottenuto è decisamente maggiore e quindi la misura risulta migliore (Figura 4). 

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Figura 4. F e G: segnali EMG intramuscolari e superficiali registrati rispettivamente dal dispositivo del gruppo di ricerca di Zhao (F) e da un dispositivo MEM tradizionale planare (G). MN indica gli elettrodi a microaghi, P indica gli elettrodi planari. H e I: spettri di potenza dei segnali EMG intramuscolari e superficiali mediati su tutti i canali di registrazione rispettivamente per il dispositivo del gruppo di ricerca di Zhao (H) e dal dispositivo MEM tradizionale planare (I). Credits: ScienceAdvances 

Le future applicazioni

La nuova piattaforma sviluppata, con le sue ottime prestazioni in termini di flessibilità, elasticità e precisione, troverà molteplici applicazioni, soprattutto nell’ambito della diagnostica. Anche grazie alla scalabilità e semplicità della tecnica di produzione, che permette di ottenere facilmente aghi di lunghezze diverse assicurando misure a diverse profondità nel corpo, un possibile impiego di questa tecnologia risiede nella stimolazione dei tessuti muscolari e nervosi, consentendo una comprensione sempre maggiore dei disordini neuromuscolari (come il morbo di Parkinson o l’epilessia). Per esempio, sarà possibile somministrare farmaci in specifiche regioni del cervello o permettere una stimolazione selettiva dei fasci di nervi periferici, assicurando che le cure siano più efficaci.  

La flessibilità del dispositivo lo rende adatto anche a misure su tessuti in movimento in maniera non invasiva e per tempi prolungati grazie all’interfaccia stabile. Sarà quindi possibile monitorare in tempo reale parametri fisiologici come i livelli di glucosio, la concentrazione di ormoni o vari marker biologici indicativi di diverse condizioni patologiche. I dati possono essere trasmessi direttamente a medici professionisti, favorendo anche l’affermarsi della telemedicina.  

E ancora, i microaghi possono essere integrati con dispositivi microfluidici per il rilascio di farmaci o con sistemi optoelettronici per terapie ottiche. Per esempio, nei pazienti diabetici, sarà possibile monitorare continuamente il livello di glucosio e rilasciare insulina in maniera controllata, quando necessario.  

È indubbio che questa piattaforma apra le porte a moltissime altre innovazioni volte a rendere la diagnosi e la cura dei pazienti sempre più agevoli ed efficaci. 


Fonti ed approfondimenti:
  • Science – Highly stretchable and customizable microneedle electrode arrays for intramuscular electromyography;
  • Scitechdaily – The Gentle Prick: Sea Slug-Inspired Stretchable Microneedles Revolutionize Biomedical Sensors;
  • Bulbapp -Microneedles: A Tiny Tool That Bends and Stretches Can Revolutionize Healthcare;
  • Hospimedica -Stretchable Microneedles to Help In Accurate Tracking of Abnormalities and Identifying Rapid Treatment.
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Informazioni autore

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Martina Alberici

Neo laureata al Politecnico di Milano, la mia curiosità per il mondo dell'ingegneria biomedica continua a crescere. Mi intrigano soprattutto le innovazioni negli ambiti della diagnostica e della terapia perchè possono fare la differenza nella vita delle persone.

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