Gli scienziati della Princeton University hanno utilizzato strumenti di stampa standard per creare un orecchio funzionale in grado di "sentire" frequenze radio ben oltre la gamma delle normali capacità umane.

Lo scopo principale dei ricercatori era esplorare un mezzo efficiente e versatile per fondere l'elettronica con i tessuti. Gli scienziati hanno utilizzato la stampa 3D di cellule e nanoparticelle seguita da colture cellulari per combinare una piccola antenna a spirale con cartilagine, creando quello che chiamano un orecchio bionico.

"Generalmente, ci sono sfide meccaniche e termiche con l'interfacciamento di materiali elettronici con materiali biologici, " ha detto Michael McAlpine, un assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale a Princeton e il ricercatore capo. "In precedenza, i ricercatori hanno suggerito alcune strategie per adattare l'elettronica in modo che questa fusione sia meno imbarazzante. Ciò accade in genere tra un foglio elettronico 2D e una superficie del tessuto. Però, il nostro lavoro suggerisce un nuovo approccio:costruire e far crescere la biologia con l'elettronica in modo sinergico e in un formato 3D intrecciato".

Il team di McAlpine ha fatto diversi progressi negli ultimi anni con l'uso di sensori e antenne medici su piccola scala. L'anno scorso, uno sforzo di ricerca guidato da McAlpine e Naveen Verma, un assistente professore di ingegneria elettrica, e Fio Omenetto della Tufts University, ha portato allo sviluppo di un "tatuaggio" composto da un sensore biologico e un'antenna che può essere apposto sulla superficie di un dente.

Questo progetto, però, è il primo sforzo del team per creare un organo completamente funzionale:uno che non solo replichi un'abilità umana, ma lo estende utilizzando l'elettronica incorporata

"La progettazione e l'implementazione di organi e dispositivi bionici che migliorano le capacità umane, nota come cibernetica, è stata un'area di crescente interesse scientifico, " hanno scritto i ricercatori nell'articolo che appare sulla rivista scientifica Nano lettere . "Questo campo ha il potenziale per generare parti di ricambio personalizzate per il corpo umano, o persino creare organi contenenti capacità oltre ciò che la biologia umana normalmente fornisce".

L'ingegneria tissutale standard prevede la semina di tipi di cellule, come quelli che formano la cartilagine dell'orecchio, su un'impalcatura di un materiale polimerico chiamato idrogel. Però, i ricercatori hanno affermato che questa tecnica ha problemi a replicare strutture biologiche tridimensionali complicate. La ricostruzione dell'orecchio "rimane uno dei problemi più difficili nel campo della chirurgia plastica e ricostruttiva, " scrissero.

Per risolvere il problema, il team si è rivolto a un approccio di produzione chiamato stampa 3D. Queste stampanti utilizzano la progettazione assistita da computer per concepire gli oggetti come matrici di fette sottili. La stampante deposita quindi strati di una varietà di materiali, dalla plastica alle celle, per creare un prodotto finito. I sostenitori affermano che la produzione additiva promette di rivoluzionare le industrie domestiche consentendo a piccoli team o individui di creare lavoro che in precedenza poteva essere svolto solo dalle fabbriche.

La creazione di organi utilizzando stampanti 3D è un progresso recente; diversi gruppi hanno riferito di aver utilizzato la tecnologia per questo scopo negli ultimi mesi. Ma questa è la prima volta che i ricercatori hanno dimostrato che la stampa 3D è una comoda strategia per intrecciare i tessuti con l'elettronica.

La tecnica ha permesso ai ricercatori di combinare l'elettronica dell'antenna con il tessuto all'interno della topologia altamente complessa di un orecchio umano. I ricercatori hanno utilizzato una normale stampante 3D per combinare una matrice di idrogel e cellule di vitello con nanoparticelle d'argento che formano un'antenna. Le cellule del polpaccio si sviluppano successivamente in cartilagine.

Manu Mannoor, uno studente laureato nel laboratorio di McAlpine e l'autore principale del documento, ha affermato che la produzione additiva apre nuovi modi di pensare all'integrazione dell'elettronica con il tessuto biologico e rende possibile la creazione di veri organi bionici nella forma e nella funzione. Ha detto che potrebbe essere possibile integrare i sensori in una varietà di tessuti biologici, Per esempio, per monitorare lo stress sul menisco del ginocchio di un paziente.

David Gracia, professore associato alla Johns Hopkins e coautore della pubblicazione, ha affermato che colmare il divario tra biologia ed elettronica rappresenta una sfida formidabile che deve essere superata per consentire la creazione di protesi e impianti intelligenti.

"Le strutture biologiche sono morbide e morbide, composto principalmente da acqua e molecole organiche, mentre i dispositivi elettronici convenzionali sono duri e asciutti, composto principalmente da metalli, semiconduttori e dielettrici inorganici, " ha detto. "Le differenze nelle proprietà fisiche e chimiche tra queste due classi di materiali non potrebbero essere più pronunciate".

L'orecchio finito è costituito da un'antenna a spirale all'interno di una struttura cartilaginea. Due fili conducono dalla base dell'orecchio e si avvolgono attorno a una "coclea" elicoidale - la parte dell'orecchio che rileva il suono - che può connettersi agli elettrodi. Sebbene McAlpine avverta che sarebbe necessario eseguire ulteriori lavori e test approfonditi prima che la tecnologia possa essere utilizzata su un paziente, ha detto che l'orecchio in linea di principio potrebbe essere utilizzato per ripristinare o migliorare l'udito umano. Ha detto che i segnali elettrici prodotti dall'orecchio potrebbero essere collegati alle terminazioni nervose di un paziente, simile a un apparecchio acustico. Il sistema attuale riceve onde radio, ma ha detto che il team di ricerca prevede di incorporare altri materiali, come sensori elettronici sensibili alla pressione, per consentire all'orecchio di registrare suoni acustici.

Oltre a McAlpine, Verma, Mannoor e Gracias il team di ricerca comprende:Winston Soboyejo, un professore di ingegneria meccanica e aerospaziale a Princeton; Karen Malatesta, un professore di biologia molecolare a Princeton; Yong Lin Kong, uno studente laureato in ingegneria meccanica e aerospaziale a Princeton; e Teena James, uno studente laureato in ingegneria chimica e biomolecolare alla Johns Hopkins.

Il team includeva anche Ziwen Jiang, uno studente delle superiori presso la Peddie School di Hightstown che ha partecipato come parte di un programma di sensibilizzazione per giovani ricercatori nel laboratorio di McAlpine.

"Ziwen Jiang è uno degli studenti delle superiori più spettacolari che abbia mai visto, " ha detto McAlpine. "Non saremmo stati in grado di completare questo progetto senza di lui, in particolare nella sua abilità nel padroneggiare i progetti CAD delle orecchie bioniche."