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Tessuti e Organi Artificiali

Sorgenti di corrente biocompatibili ispirate all’organo elettrico dell’anguilla

Scritto da Mario Roberto

L’idea di introdurre strumenti tecnologici all’interno del corpo umano da sempre affascina l’uomo. Fino ad ora, però, progetti di questo tipo hanno in alcuni casi riscontrato limiti nell’introduzione di una sorgente di corrente che sia biocompatibile.
I ricercatori dell’University of Michigan hanno condotto uno studio sulla creazione di un sistema capace di produrre corrente ispirandosi al funzionamento dell’organo elettrico presente nell’anguilla.

Come avviene la conduzione elettrica all’interno dell’anguilla?

La caratteristica principale dell’anguilla è quella di avere, nella parte posteriore del corpo, un organo elettrico, posto al centro rispetto ai muscoli usati per nuotare (Fig.1).

Fig.1 Da sinistra: rappresentazione della parte interna dell’anguilla e distinzione tra organo elettrico e muscolo usato per il movimento. Poi troviamo uno zoom sull’organo elettrico e notiamo la disposizione degli elettroliti confinati dal tessuto isolante. Ancora a destra, la rappresentazione dell’apertura e della chiusura dei canali sodio e potassio.

Analizziamo meglio l’organo elettrico: gli elettrociti (cellule elettriche attive) sono disposti in pile parallele, intervallati da tessuto connettivo isolante che ha la funzione di separare le membrane degli elettrociti e permette il passaggio selettivo di particolari ioni, il sodio e il potassio. 

Questi due ioni sono fondamentali per la generazione del potenziale di transmembrana. Possiamo distinguere due tipi di stati possibili della membrana cellulare: stato di riposo e stato di attivazione

A riposo, abbiamo che l’apertura dei canali del potassio (K+) produce un potenziale di membrana uguale e opposto nello spazio extracellulare, quindi non si ha variazione di potenziale di transmembrana.
Durante l’impulso, in fase attiva, abbiamo l’apertura dei canali sodio (Na+) e la chiusura dei canali K+: in questo modo viene generato un potenziale di transmembrana totale di 150 mV.

La differenza di potenziale di 150 mV, però, è relativa ad un singolo elettrocita. L’organo elettrico dell’anguilla ha la peculiarità di avere in comunicazione tutti gli elettrociti, poiché essi sono disposti in serie, quindi in totale vengono generati un potenziale di 600V e una corrente di 1A.

Come è stato studiato e costruito l’organo artificiale

I ricercatori hanno quindi cercato di ricostruire l’organo elettrico dell’anguilla e per fare ciò hanno utilizzato 4 composti di idrogel analoghi alle 4 composizioni dell’organo elettrico (tessuto isolante, elettrocita, neurone, spazio extra cellulare) in modo da avere l’analoga selettività agli ioni nello spazio intra ed extracellulare (Fig.2). 

Fig.2 A sinistra vediamo l’implementazione dell’organo artificiale elettrico: l’idrogel rosso contiene una soluzione concentrata di NaCl, il verde contiene monomeri con cariche negative ed è selettivo ai cationi, il blu contiene una soluzione diluita di NaCl, infine il giallo contiene monomeri con cariche positive ed è permeabile agli anioni. Nella parte destra vediamo il meccanismo di generazione del potenziale nell’organo artificiale elettrico: quando non c’è contatto tra il materiale non si ha la conduzione, al contrario quando avviene il contatto il complesso si attiva.

Nello specifico, è stata realizzata una struttura tetrametrica ripetitiva composta da un primo gel ad alta salinità, seguito da uno permeabile ai cationi, un terzo a bassa salinità, e l’ultimo permeabile agli anioni. Usando il principio dell’elettrodialisi, ognuna di queste strutture genera una differenza di potenziale di 130-185 mV comparabile al potenziale generato da un singolo elettrocita.

Metodi di costituzione dell’organo artificiale

L’organo artificiale elettrico prevede un’attivazione simultanea di tutti gli elettrociti per eludere dissipazioni di energia.  

I ricercatori hanno usato due tipologie di assemblaggio: nel primo caso hanno utilizzato una  tecnica di implementazione fluidica, mentre nel secondo una particolare tecnica di stampa 3D. In Fig.3, in basso, vengono raffigurati i due metodi usati.

Per ognuna di queste tecniche, al fine di assicurare l’attivazione simultanea, sono stati utilizzati rispettivamente due metodi: con il primo setup, sono stati messi in collegamento parallelo i tubi con all’interno i gel, con il secondo setup, sono stati accoppiati i fogli sui quali sono stampate le gocce di gel.

Fig.3. In alto viene raffigurato il primo metodo che consiste nell’estrusione microfluidica, mentre in basso osserviamo il secondo metodo nel quale le gocce contenenti il gel viene stampato direttamente su due superfici piane che in seguito vengono sovrapposte per formare la struttura dell’organo elettrico dell’anguilla

Il primo metodo, consiste nell’estrusione programmata di una serie di gel che vengono immessi in dei particolari tubicini usando un particolare dispenser: con questa tecnica viene utilizzato un timer per dispensare gradualmente le goccioline di gel in modo automatico. Si evita così l’intervento umano e le gocce di idrogel possono essere estruse più velocemente. In questa configurazione, sono stati preparati dei prototipi di organi artificiali formati al massimo da una sequenza di 41 gel in totale.

In questo modo, è possibile realizzare più unità che vanno a formare l’organo artificiale ed è stato dimostrato che la corrente ed il potenziale erogati, sono proporzionali al numero di tubi che vengono disposti in parallelo. 

Il sistema di microfluidica è molto particolare e veloce: si possono preparare gocce di gel, di quattro differenti composizioni ad una velocità di 100  gocce al secondo. In questo modo, un organo artificiale elettrico composto da 2500 gocce contenenti questi particolari tipi di gel, capace di generare 100V di potenziale elettrico, sarebbero pronti in 2 minuti.

Il secondo metodo consiste nella stampa 3D dei diversi tipi di gel disposti su un substrato di poliestere in modo alterno, come vediamo in Fig.3. Nello specifico, vengono stampati i gel di colore rosso e blu che contengono rispettivamente le soluzioni concentrate e diluite di NaCl su un foglio di poliestere, mentre su di un altro vengono stampati i gel di colore verde e giallo che contengono rispettivamente i monomeri caricati negativamente e positivamente. 

In seguito, questi due pattern di gel vengono sovrapposti in modo che si formi un vero e proprio percorso capace di condurre energia elettrica e attivare i vari processi che interessano i canali ionici che vengono mimati attraverso questa configurazione: in questo modo possono essere erogati 110V

Inoltre, con questa configurazione, non avviene dispersione di energia elettrica, proprio come succede nell’organo elettrico dell’anguilla, a fronte però di una resistenza molto più elevata: 115 kΩ, invece degli 0.1 Ω che si hanno con il contatto tra gli elettrociti.

Per migliorare le performance elettriche in termini di potenziale e di potenza erogati, l’array di gel viene ripiegato su se stesso con il metodo Miura-ori (tecnica di origami), per sfruttare il fatto che gli array di gel sono più ravvicinati in modo da minimizzare la resistenza e raggiungere una maggiore efficienza (Fig. 4)

Fig.4 a) Struttura Miura-Ori, particolare tecnica origami ottenuta piegando il fogli di poliestere. b) differenze di resistenza tra disposizione laterale e struttura ad origami.

Conclusioni

A cosa può servire questo tipo di tecnologia? Questo tipo di proprietà può essere sfruttata per dispositivi all’interno del corpo nel quale non possono essere utilizzate le batterie convenzionali, ad esempio lenti a contatto attive (potrebbero essere studiate alcune protesi visive che utilizzano questo tipo di energia) e dispositivi indossabili ed impiantabili all’interno del corpo, alcuni esempi possono essere: l’implementazione di soft materials, soft robots e pacemaker

Di seguito segnaliamo il video riassuntivo che illustra le tecniche sopra discusse:


Fonti e approfondimenti:
  • Nature – An electric-eel-inspired soft power source from stacked hydrogels
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Informazioni autore

Mario Roberto

Studente di ingegneria biomedica a Pisa. Interessato a tutto ciò che riguarda la tecnologia e soprattutto alle innovazioni, frutto della ricerca in campo biomedico

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