Questa immagine ravvicinata mostra i dettagli dell'ultra-sottile, sensore a basso profilo per il monitoraggio del flusso sanguigno nel cervello. Credito:Georgia Tech
Un sensore wireless abbastanza piccolo da essere impiantato nei vasi sanguigni del cervello umano potrebbe aiutare i medici a valutare la guarigione degli aneurismi, rigonfiamenti che possono causare la morte o gravi lesioni se scoppiano. Il sensore estensibile, che funziona senza batterie, verrebbero avvolti attorno a stent o deviatori impiantati per controllare il flusso sanguigno nei vasi interessati dagli aneurismi.
Per ridurre i costi e accelerare la produzione, la fabbricazione dei sensori estensibili utilizza la stampa 3D a getto di aerosol per creare tracce conduttive d'argento su substrati elastomerici. La tecnica di produzione additiva 3D consente la produzione di caratteristiche elettroniche molto piccole in un unico passaggio, senza utilizzare i tradizionali processi di litografia a più fasi in una camera bianca. Si ritiene che il dispositivo sia la prima dimostrazione della stampa 3D a getto di aerosol per produrre un dispositivo impiantabile, sistema di rilevamento estensibile per il monitoraggio wireless.
"La bellezza del nostro sensore è che può essere perfettamente integrato su stent medici esistenti o deviatori di flusso che i medici stanno già utilizzando per trattare gli aneurismi, " disse Woon-Hong Yeo, un assistente professore presso la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering della Georgia Tech e il Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering presso la Georgia Tech e la Emory University. "Potremmo usarlo per misurare un flusso sanguigno in entrata nel sacco dell'aneurisma per determinare quanto bene l'aneurisma sta guarendo, e per avvisare i medici se il flusso sanguigno cambia".
Inserito utilizzando un sistema di catetere, il sensore utilizzerebbe l'accoppiamento induttivo dei segnali per consentire il rilevamento wireless dell'emodinamica dell'aneurisma cerebrale biomimetico. La ricerca è stata riportata il 7 agosto sulla rivista Scienze avanzate .
Il monitoraggio dell'andamento degli aneurismi cerebrali ora richiede l'imaging angiografico ripetuto utilizzando materiali di contrasto che possono avere effetti collaterali dannosi. A causa dei costi e dei potenziali effetti negativi, l'uso della tecnica di imaging deve essere limitato. Però, un sensore posizionato in un vaso sanguigno potrebbe consentire valutazioni più frequenti senza l'uso di coloranti per immagini.
Il sensore di flusso sanguigno wireless è estensibile, permettendogli di conformarsi a uno stent per l'impianto. Credito:Georgia Tech
"Per i pazienti che hanno subito una procedura, saremmo in grado di dire se l'aneurisma si sta occludendo come dovrebbe senza utilizzare strumenti di imaging, ", ha detto Yeo. "Saremo in grado di misurare con precisione il flusso sanguigno per rilevare cambiamenti di appena 0,05 metri al secondo".
Il sensore a sei strati è realizzato in poliimmide biocompatibile, due strati separati di un reticolo prodotto da nanoparticelle d'argento, un materiale dielettrico e morbido che incapsula un polimero. Il sensore sarebbe avvolto attorno allo stent o al deviatore di flusso, che deve avere un diametro inferiore a due o tre millimetri per entrare nei vasi sanguigni.
Il sensore include una bobina per raccogliere l'energia elettromagnetica trasmessa da un'altra bobina situata all'esterno del corpo. Il sangue che scorre attraverso il sensore impiantato cambia la sua capacità, che altera i segnali che passano attraverso il sensore nel loro percorso verso una terza bobina situata all'esterno del corpo. In laboratorio, Yeo e i suoi collaboratori hanno misurato i cambiamenti di capacità a sei centimetri di distanza da un sensore impiantato nella carne per simulare il tessuto cerebrale.
"La portata è correlata molto bene con la variazione di capacità che possiamo misurare, " Yeo ha detto. "Abbiamo reso il sensore molto sottile e deformabile in modo che possa rispondere a piccoli cambiamenti nel flusso sanguigno".
L'uso della tecnica di stampa 3D a getto di aerosol è stato essenziale per produrre l'elettronica estensibile e flessibile necessaria per il sensore. La tecnica utilizza uno spruzzo di particelle di aerosol per creare modelli, consentendo dimensioni delle caratteristiche più strette rispetto alla stampa a getto d'inchiostro convenzionale.
I sensori wireless sono prodotti utilizzando una stampante 3D a getto di aerosol. Un esempio del film di nanoparticelle d'argento è mostrato a destra. Credito:Georgia Tech
"Possiamo controllare la velocità di stampa, la larghezza di stampa, e la quantità di materiale che viene espulso, " Yeo ha detto. "I parametri possono essere ottimizzati per ogni materiale, e possiamo utilizzare materiali con un'ampia gamma di viscosità."
Poiché il sensore può essere fabbricato in un unico passaggio senza costose strutture in camera bianca, potrebbe essere prodotto in un volume maggiore a un costo inferiore.
La fase successiva del sensore per aneurisma sarà in grado di misurare la pressione sanguigna nel vaso insieme alle portate. "Saremo in grado di misurare come la pressione contribuisce al cambiamento di flusso, " Yeo ha spiegato. "Ciò consentirebbe di utilizzare il dispositivo per altre applicazioni, come misurazioni della pressione intracranica."
Il team di ricerca di Yeo ha anche sviluppato un monitor sanitario flessibile e indossabile in grado di fornire ECG e altre informazioni. He says the success of the monitoring technique demonstrates the potential for smart and connected wireless soft electronics based on nanomaterials, stretchable mechanics, and machine learning algorithms.
"We are excited that people are now recognizing the potential of this technology, " Yeo added. "There are a lot of opportunities to integrate this sensing mechanism into ultrathin membranes that are implantable within the body."
