L'impianto di un deviatore di flusso simile a uno stent può offrire un'opzione per un trattamento meno invasivo degli aneurismi cerebrali - rigonfiamenti nei vasi sanguigni - ma la procedura richiede un monitoraggio frequente mentre i vasi guariscono. Ora, un team di ricerca multiuniversitario ha dimostrato il proof-of-concept di un sensore altamente flessibile ed estensibile che potrebbe essere integrato con il deviatore di flusso per monitorare l'emodinamica in un vaso sanguigno senza costose procedure diagnostiche.

Il sensore, che utilizza le variazioni di capacità per misurare il flusso sanguigno, potrebbe ridurre la necessità di test per monitorare il flusso attraverso il deviatore. Ricercatori, guidato da Georgia Tech, hanno dimostrato che il sensore misura accuratamente il flusso di fluido nei vasi sanguigni animali in vitro, e stanno lavorando alla prossima sfida:il funzionamento wireless che potrebbe consentire test in vivo.

La ricerca è stata riportata il 18 luglio sulla rivista ACS Nano ed è stato sostenuto da molteplici sovvenzioni del Georgia Tech's Institute for Electronics and Nanotechnology, l'Università di Pittsburgh e il Korea Institute of Materials Science.

"Il sistema di sensori nanostrutturati potrebbe offrire vantaggi ai pazienti, compreso un trattamento dell'aneurisma meno invasivo e una capacità di monitoraggio attivo, " 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. "Il sistema integrato potrebbe fornire un monitoraggio attivo dell'emodinamica dopo l'intervento chirurgico, consentendo al medico di seguire con una misurazione quantitativa di come funziona il deviatore di flusso nel trattamento."

Gli aneurismi cerebrali si verificano fino al cinque percento della popolazione, con ogni aneurisma che porta un rischio dell'uno per cento all'anno di rottura, ha osservato Youngjae Chun, professore associato presso la Swanson School of Engineering dell'Università di Pittsburgh. La rottura dell'aneurisma causerà la morte fino alla metà dei pazienti affetti.

La terapia endovascolare con bobine di platino per riempire il sacco aneurismatico è diventata lo standard di cura per la maggior parte degli aneurismi, ma recentemente è stato sviluppato un nuovo approccio endovascolare, un deviatore di flusso, per il trattamento degli aneurismi cerebrali. La deviazione del flusso comporta il posizionamento di uno stent poroso sul collo di un aneurisma per reindirizzare il flusso lontano dal sacco, generando coaguli di sangue locali all'interno del sacco.

"Abbiamo sviluppato un tessuto altamente estensibile, deviatore di flusso iperelastico che utilizza un nitinol a film sottile altamente poroso, " Spiegò Chun. "Nessuno dei deviatori di flusso esistenti, però, fornire quantitativi, monitoraggio in tempo reale dell'emodinamica all'interno del sacco di aneurisma cerebrale. Attraverso la collaborazione con il gruppo del Dr. Yeo presso Georgia Tech, abbiamo sviluppato un sistema intelligente di deviazione del flusso in grado di monitorare attivamente le alterazioni del flusso durante e dopo l'intervento chirurgico."

Riparare l'arteria danneggiata richiede mesi o addirittura anni, durante il quale il deviatore di flusso deve essere monitorato mediante risonanza magnetica e tecnologia angiografica, che è costoso e comporta l'iniezione di un colorante magnetico nel flusso sanguigno. Yeo e i suoi colleghi sperano che il loro sensore possa fornire un monitoraggio più semplice in uno studio medico utilizzando una bobina induttiva wireless per inviare energia elettromagnetica attraverso il sensore. Misurando come cambia la frequenza di risonanza dell'energia mentre passa attraverso il sensore, il sistema potrebbe misurare i cambiamenti del flusso sanguigno nel sacco.

"Stiamo cercando di sviluppare un batteryless, dispositivo wireless estremamente estensibile e flessibile che può essere sufficientemente miniaturizzato da essere instradato attraverso i minuscoli e complessi vasi sanguigni del cervello e quindi distribuito senza danni, " ha detto Yeo. "È molto difficile inserire un tale sistema elettronico nei vasi sanguigni stretti e sagomati del cervello".

Il sensore utilizza una micro-membrana composta da due strati metallici che circondano un materiale dielettrico, e avvolge il deviatore di flusso. Il dispositivo ha uno spessore di poche centinaia di nanometri, ed è prodotto utilizzando tecniche di nanofabbricazione e di stampa a trasferimento di materiale, incapsulato in un materiale elastomerico morbido.

"La membrana viene deviata dal flusso attraverso il deviatore, e a seconda della forza del flusso, la differenza di velocità, la quantità di deflessione cambia, " Yeo ha spiegato. "Misuriamo la quantità di deflessione in base alla variazione di capacità, perché la capacità è inversamente proporzionale alla distanza tra due strati metallici."

Perché i vasi sanguigni del cervello sono così piccoli, i deviatori di flusso non possono essere più lunghi di cinque-dieci millimetri e di pochi millimetri di diametro. Ciò esclude l'uso di sensori convenzionali con circuiti elettronici rigidi e ingombranti.

"Mettere materiali e circuiti funzionali in qualcosa di quelle dimensioni è praticamente impossibile in questo momento, " Yeo ha detto. "Quello che stiamo facendo è molto impegnativo basato su materiali convenzionali e strategie di progettazione".

I ricercatori hanno testato tre materiali per i loro sensori:oro, magnesio e la lega di nichel-titanio nota come nitinol. Tutto può essere tranquillamente utilizzato nel corpo, ma il magnesio offre il potenziale per essere sciolto nel flusso sanguigno dopo che non è più necessario.

Il sensore di prova di principio è stato collegato a un filo guida nei test in vitro, ma Yeo e i suoi colleghi stanno ora lavorando su una versione wireless che potrebbe essere impiantata in un modello animale vivente. Mentre i sensori impiantabili vengono utilizzati clinicamente per monitorare i vasi sanguigni addominali, l'applicazione nel cervello crea sfide significative.

"Il sensore deve essere completamente compresso per il posizionamento, quindi deve essere in grado di allungarsi del 300 o 400 percento, " ha detto Yeo. "La struttura del sensore deve essere in grado di sopportare quel tipo di manipolazione pur essendo conformabile e piegandosi per adattarsi all'interno del vaso sanguigno".