Impianto bioassorbibile stimola elettricamente organi, nervi e muscoli, per poi scomparire dopo il trattamento.

Per trattare o gestire diverse patologie cardiache, gastrointestinali e neurologiche, tra cui aritmie, blocco cardiaco, gastroparesi, epilessia e alcune lesioni nervose, i medici si affidano a una tecnica nota come stimolazione elettrica. La stimolazione elettrica consiste nell’erogazione di piccoli impulsi elettrici in punti specifici per indurre l’attivazione di nervi, muscoli o organi.

Molti degli approcci esistenti per la somministrazione di stimolazione elettrica si basano su dispositivi elettronici impiantati in modo permanente o temporaneo all’interno del corpo. Questi dispositivi a volte possono guastarsi, causare effetti collaterali e potrebbe essere necessario rimuoverli chirurgicamente.

Ricercatori della Northwestern University, della Sungkyunkwan University e di altri istituti hanno recentemente sviluppato un nuovo sistema impiantabile e bioassorbibile che potrebbe essere utilizzato per stimolare elettricamente organi, muscoli o nervi specifici all’interno del corpo. Questo stimolatore, presentato in un articolo pubblicato su Nature Electronics , potrebbe scomparire gradualmente al termine del trattamento, eliminando quindi la necessità di un’estrazione chirurgica.

“I sistemi bioassorbibili wireless per la stimolazione elettrica possono erogare elettroterapia per periodi di tempo clinicamente rilevanti e successivamente dissolversi in modo innocuo”, hanno scritto Jong Uk Kim, Seung Gi Seo e i loro colleghi nel loro articolo. “Tali sistemi sono stati precedentemente utilizzati nella neurorigenerazione e nella stimolazione cardiaca, erogando impulsi monofasici in un sito bersaglio. Noi presentiamo un sistema alimentato in modalità wireless con controllo programmabile delle forme d’onda di stimolazione tramite luce infrarossa in grado di penetrare nei tessuti.”

Una nuova soluzione per la somministrazione di stimolazione elettrica

Il sistema di stimolazione elettrica sviluppato da Kim, Seo e i loro colleghi è composto da diversi elementi, tra cui un’unità ricevente wireless, un fototransistor a base di silicio, circuiti ed elettrodi di stimolazione. Il dispositivo è completamente bioassorbibile, il che significa che si dissolve in modo sicuro all’interno del corpo umano nel tempo, ed è controllato tramite una sorgente di luce nel vicino infrarosso posta all’esterno del corpo.

“L’approccio si basa su un fototransistor al silicio bioassorbibile progettato per modulare otticamente i flussi di corrente nei nodi critici dei circuiti elettrici”, hanno scritto gli autori. “Dimostriamo che questo approccio può offrire un controllo preciso sugli impulsi di stimolazione, consentendo l’erogazione di forme d’onda monofasiche, bifasiche e polifasiche a uno o più siti, il tutto con alimentazione trasmessa in modalità wireless a una singola unità ricevente.”

Il sistema di stimolazione del team è in grado di produrre diversi tipi di impulsi elettrici intermittenti, tra cui impulsi monofasici, bifasici e polifasici. Un impulso monofasico invia corrente elettrica in una sola direzione. Un impulso bifasico invia corrente in una direzione e poi la inverte immediatamente. Infine, un impulso polifasico cambia la direzione e l’intensità della corrente più volte.

I ricercatori hanno testato il loro sistema di stimolazione in una serie di esperimenti iniziali, impiantandolo sia in animali di piccola che di grande taglia. I risultati di questi test sono stati promettenti, poiché il sistema è stato in grado di sincronizzare in modo affidabile il battito cardiaco degli animali e di stimolare i nervi che controllano i movimenti del diaframma.

“Utilizzando modelli animali di piccole e grandi dimensioni, dimostriamo che la tecnologia consente la stimolazione cardiaca monocamerale e bicamerale, nonché la stimolazione neuromuscolare frenica per indurre e bloccare l’escursione diaframmatica”, hanno scritto Kim, Seo e i loro colleghi.

Possibili applicazioni cliniche

I risultati di questo studio sono preliminari e saranno necessari ulteriori studi per valutare la sicurezza, l’efficacia e le prestazioni a lungo termine del dispositivo prima che possa essere sottoposto a sperimentazioni cliniche sull’uomo. Ciononostante, i primi risultati del team evidenziano il suo potenziale per la stimolazione elettrica di muscoli e nervi specifici.

In futuro, il sistema di stimolazione bioassorbibile potrebbe essere impiegato in ambito sanitario per la stimolazione cardiaca temporanea, la riparazione dei nervi o per supportare i pazienti con difficoltà respiratorie. Inoltre, il suo design potrebbe ispirare lo sviluppo di altri dispositivi impiantabili simili che si dissolvono gradualmente all’interno del corpo. 

Abstract

I sistemi wireless bioassorbibili per la stimolazione elettrica possono erogare elettroterapia per periodi di tempo clinicamente rilevanti, per poi dissolversi in modo innocuo. Tali sistemi sono stati precedentemente utilizzati nella neurorigenerazione e nella stimolazione cardiaca, erogando impulsi monofasici in un sito bersaglio. In questo studio presentiamo un sistema alimentato in modalità wireless con controllo programmabile delle forme d’onda di stimolazione tramite luce infrarossa in grado di penetrare nei tessuti. L’approccio si basa su un fototransistor al silicio bioassorbibile progettato per modulare otticamente i flussi di corrente nei nodi critici dei circuiti elettrici. Dimostriamo che questo approccio offre un controllo preciso sugli impulsi di stimolazione, consentendo l’erogazione di forme d’onda monofasiche, bifasiche e polifasiche a siti singoli o multipli, il tutto con alimentazione wireless fornita a una singola unità ricevente. Utilizzando modelli animali di piccola e grande taglia, dimostriamo inoltre che la tecnologia consente la stimolazione cardiaca mono- e bicamerale, nonché la stimolazione neuromuscolare frenica per indurre e bloccare l’escursione diaframmatica.

by