Un sensore ottico flessibile offre un nuovo modo per mappare il cuore e il cervello.

Per le persone affette da patologie cardiache o neurologiche, il monitoraggio dell’attività degli organi è una parte importante della diagnosi e del trattamento. Tuttavia, la tecnologia attuale si basa in gran parte su sistemi elettrici che spesso richiedono l’applicazione di una rete di elettrodi direttamente sull’organo interessato.

Ora, un team della Scuola di Ingegneria Biomedica dell’UNSW ha sviluppato un “optrodo” completamente flessibile: un sensore ottico che converte i segnali elettrici del corpo direttamente in segnali luminosi. Progettato per imitare la morbidezza dei tessuti umani, il dispositivo ha dimostrato un tasso di vitalità del 98,4%, aprendo la strada a tecnologie di monitoraggio a lungo termine più sicure e meno invasive.

Il team di ricerca, che ha pubblicato i suoi ultimi risultati sulla rivista npj Flexible Electronics , afferma che il nuovo sensore, finora testato solo su animali, potrebbe rivoluzionare il modo in cui viene mappato il corpo umano, fornendo informazioni più chiare e precise sull’attività elettrica.

“Gli impianti bioelettronici sono dispositivi che possono essere inseriti nel corpo per monitorare i segnali elettrici provenienti da organi come il cuore e il cervello. Aiutano i medici a tenere traccia dei cambiamenti e delle tendenze nello stato di salute di una persona a breve e lungo termine”, afferma la prima autrice, la dottoressa Reem Almasri della Scuola di Ingegneria Biomedica dell’UNSW.

“Di solito sono realizzati con materiali rigidi come silicone e metallo, e poiché i nostri organi interni sono morbidi e in costante movimento, questa incompatibilità meccanica spesso porta a danni ai tessuti, cicatrici e persino al rigetto dell’impianto da parte dell’organismo.”

“Inoltre, si basano su fili metallici che possono rompersi se piegati o captare molto ‘rumore’ elettrico dall’ambiente, compromettendo la qualità dei dati.”

“Il nostro nuovo sensore supera queste difficoltà e rappresenta un importante passo avanti nella prossima generazione di bioelettronica impiantabile.”

Nuovo materiale, nuovo design

I ricercatori hanno sostituito i componenti rigidi e fragili con polimeri morbidi e ad alte prestazioni, materiali progettati per interagire in sicurezza con il corpo. Tra questi, un polimero conduttivo specializzato che mantiene la sua funzionalità anche dopo essere stato piegato 10.000 volte.

Al centro si trova uno strato di cristalli liquidi altamente sensibili in grado di rilevare ampiezze, ovvero l’intensità di un segnale, a livelli inferiori al millivolt, simili a quelli prodotti dal cervello e dal cuore.

“Abbiamo progettato questo sistema in modo che i cristalli orientino il loro angolo a seconda dell’ampiezza del segnale applicato, ad esempio un segnale cerebrale”, afferma Almasri.

“Utilizzando segnali luminosi, misura la variazione percentuale e la converte in output ottici quantificabili.”

A differenza dei sensori tradizionali, questo dispositivo non necessita di componenti elettronici locali o di ingombranti cavi nel sito di applicazione sul tessuto per funzionare, risultando quindi immune alle interferenze elettriche, un problema importante negli attuali dispositivi bioelettronici.

“Gli amplificatori possono contribuire a ridurre le interferenze elettriche e a migliorare la qualità del segnale sul posto. Tuttavia, sono spesso ingombranti e possono generare calore nei tessuti circostanti, limitando potenzialmente le prestazioni del sistema”, afferma Almasri.

“Una volta ridotte le dimensioni dell’elettrodo, diventa più difficile separare il segnale dal rumore elettrico di fondo.”

“Grazie alla nostra tecnologia, possiamo ridurre le dimensioni del sensore a poche decine di micron , circa la metà della larghezza di un capello umano, senza perdere qualità del segnale o introdurre rumore elettrico aggiuntivo.”

Non tossico per l’organismo

I ricercatori hanno anche testato la capacità degli optrodi flessibili di sopravvivere nelle colture cellulari, verificando se le cellule rimanessero sane, crescessero normalmente e funzionassero in modo sicuro senza subire danni. Non hanno riscontrato alcun segno di tossicità o contaminazione.

“I nostri test in vitro hanno dimostrato che l’optrodo non ha influenzato la crescita e la vitalità cellulare rispetto ai controlli in silicio, ampiamente utilizzati negli attuali dispositivi di biomonitoraggio”, afferma Almasri.

“Dato che il silicio è più spesso e rigido del nostro dispositivo, può potenzialmente limitare o inibire la crescita cellulare in misura maggiore.”

Prossimi passi

Il team responsabile della ricerca sta attivamente accelerando la commercializzazione della tecnologia attraverso la sua società spin-off, Sevren Pty Ltd, fondata dal professor Nigel Lovell e dal professor Francois Ladouceur della Scuola di Ingegneria Biomedica dell’UNSW.

Nonostante la validazione delle capacità del sensore tramite test su animali, ulteriori studi in vivo rappresentano un passo fondamentale per migliorare la risoluzione del segnale.

Oltre al cuore e al cervello, questa tecnologia potrebbe essere adattata per monitorare l’intestino, i muscoli o persino le singole cellule.

“Vogliamo estendere la larghezza di banda del segnale oltre i 10 kilohertz per catturare l’attività dei singoli neuroni”, afferma Almasri.

“C’è anche la possibilità di migliorare l’allineamento dei cristalli liquidi. Se aumentiamo la sensibilità del dispositivo, potremmo rilevare segnali a livello di micron.”

Abstract

I recenti progressi nelle tecnologie ottiche hanno aperto nuove possibilità per l’interfacciamento elettrofisiologico, offrendo alternative ai metodi tradizionali basati sull’elettricità. In questo lavoro, presentiamo un elettrodo ottico flessibile, denominato “optrode”, che impiega un meccanismo di trasduzione passiva per convertire i biopotenziali in segnali ottici quantificabili. Il nostro progetto integra cristalli liquidi in una struttura polimerica multistrato che consente la trasmissione e la riflessione della luce, trasportando al contempo il segnale a un sistema di fotorilevamento con una responsività relativa di 13 ± 1%/V e una larghezza di banda operativa di 2,2 ± 0,1 kHz per applicazioni elettrofisiologiche ( N = 25 misurazioni totali). Inoltre, abbiamo dimostrato la sua citocompatibilità e l’efficacia nel rilevamento di elettrogrammi da tessuti cardiaci. Questo approccio affronta le principali limitazioni dell’optoelettronica biomedica, fornendo un rilevamento del segnale senza etichette e senza fili conduttivi, mantenendo al contempo un’interfaccia morbida e simile al tessuto e dimostrando un forte potenziale di integrazione in piattaforme elettrofisiologiche avanzate.

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