Un team di ingegneri e medici dell’Università di Cambridge ha sviluppato un dispositivo ultrasottile e gonfiabile che può essere usato per trattare le forme di dolore più acuto alla colonna vertebrale, senza dover ricorrere alla chirurgia invasiva.
Design e funzionamento
Per la realizzazione del dispositivo, sono stati impiegati metodi di fabbricazione di robotica soft (o morbida) combinati a elettronica ultrasottile e microfluidica: l’elettronica flessibile ha reso possibile il cambiamento di forma – e l’adattamento – dello stesso dopo l’intervento chirurgico, mentre la presenza di canali microfluidici ne ha controllato il rigonfiamento. Il risultato è un impianto, avente lo spessore di un capello, che può essere arrotolato come un cilindro sottile dal diametro di 2 millimetri, inserito in un ago e poi impiantato nello spazio epidurale della colonna vertebrale, la stessa zona dove vengono somministrate le iniezioni per controllare il dolore durante il parto (Figura 1).
Una volta che è stato posizionato correttamente, grazie al sistema fluidico presente, l’impianto inizia a gonfiarsi con acqua o aria, per poi srotolarsi ed espandersi come se fosse un materassino pieno d’aria fino a raggiungere 60 micrometri di spessore, andando a ricoprire una vasta zona della spina dorsale. L’aria e l’acqua vengono poi risucchiate di nuovo fuori dal dispositivo, permettendo di adattarsi comodamente al tessuto nello spazio epidurale. A questo punto, un piccolo generatore di impulsi si serve di elettrodi ultrasottili, impiantati intorno allo strato della dura madre, per mandare piccole correnti elettriche alla colonna vertebrale (Figura 2).
In questo modo, grazie alla stimolazione della colonna vertebrale (SCS, Spinal Cord Stimulation) si va ad alleviare il dolore, poiché gli impulsi elettrici aiutano a “mascherare” i segnali di dolore che viaggiano verso il cervello lungo la spina dorsale.
L’utilizzo di film sottili nell’elettronica non è una cosa nuova, ma ciò che rende unico questo sistema è la presenza delle camere microfluidiche. Ciò fa sì che si possa gonfiare ed espandere all’interno del corpo del paziente in una forma a pala.
Dr. Christopher Proctor, co-autore della ricerca – Università di Cambridge
Prestazioni e terapie esistenti
I primi test effettuati suggeriscono che questa apparecchiatura possa essere considerata una terapia efficace per combattere molte forme di dolore acuto – inclusi dolori alle gambe e alla schiena – che non sono curabili con gli antidolorifici. Può inoltre essere adoperata come un potenziale trattamento contro la paralisi e il morbo di Parkinson. Tuttavia, ulteriori esami e sperimentazioni cliniche sono necessari prima che questo nuovo impianto possa essere utilizzato sui pazienti.
Tra i metodi già esistenti che trattano il dolore acuto alla colonna vertebrale, la chirurgia tradizionale porta a risultati più efficaci di quella mininvasiva, anche se, per suo contro, si rivela più ingombrante e meno discreta. Combinando l’efficacia dei dispositivi chirurgici con la semplicità dell’impianto che caratterizza i dispositivi mininvasivi, la tecnica SCS ha trovato una potenziale soluzione a lungo termine per i dolori incurabili che riguardano milioni di persone nel mondo (Figura 3).
In certi casi questo tipo di dolore può diventare invalidante. Nel Regno Unito, il mal di schiena rappresenta la principale causa di disabilità e costa circa 12 miliardi di sterline all’anno. Negli Stati Uniti, i Centers for Disease Control and Prevention stimano che almeno un americano su 12 soffra di mal di schiena non curabile, ovvero che non risponde a trattamenti convenzionali come farmaci non steroidei, antinfiammatori od oppiacei.
La SCS si presenta quindi come una valida alternativa per coloro che soffrono di dolori alla schiena incurabili. Nonostante la sua efficacia, l’utilizzo è limitato: ogni anno, infatti, vengono effettuate solo 50.000 procedure.
La stimolazione alla colonna vertebrale è un trattamento da considerare come ultima spiaggia, rivolto a coloro che hanno un dolore così forte da non poter svolgere le normali attività quotidiane. Inoltre, i due principali tipi di dispositivi SCS presentano entrambi dei difetti, cosa che rende il loro utilizzo limitato nonostante milioni di persone si trovino a lottare contro il dolore cronico ogni giorno.
Dr. Damiano Barone, co-autore della ricerca – Dipartimento di Clinical Neuroscience della Università di Cambridge
Obiettivi futuri
Il team ha testato il dispositivo in vitro, usando un modello di colonna vertebrale per vedere in che modo gli elettrodi avrebbero funzionato dopo essere stati arrotolati e gonfiati. I risultati sono stati quelli sperati e il team ha potuto proseguire i suoi studi sulle capacità meccaniche del dispositivo, andando ad impiantarlo su cadaveri umani donati alla scienza.
I ricercatori ritengono che il loro progetto – già brevettato dal ramo di commercializzazione dell’Università di Cambridge – potrebbe non solo ridurre la necessità di chirurgia invasiva a favore di una rivoluzionaria terapia SCS alle persone che vivono con intenso dolore, ma migliorerebbe anche la disponibilità di tali dispositivi per future applicazioni.
Prevediamo un dispositivo che potrebbe coprire un’area molto più ampia pur mantenendo una piccola impronta di inserimento, offrendo un nuovo paradigma per le interfacce del sistema nervoso centrale.
Woodington et al., Sci. Adv., 2021
Fonti e approfondimenti:
- University of Cambridge – Inflatable, shape-changing spinal implants could help treat severe pain
- Science Alert – Mind-Blowing ‘Inflatable’ Spinal Cord Implant Could Make Pain Relief Widely Available
- Science – Electronics with shape actuation for minimally invasive spinal cord stimulation
