Le matrici di elettrodi metallici sono spesso utilizzate in procedure mediche che richiedono il monitoraggio o l'erogazione di impulsi elettrici nel corpo, come la chirurgia cerebrale e la mappatura dell'epilessia. Però, i materiali metallici e plastici che li compongono sono rigidi e inflessibili mentre i tessuti del corpo sono morbidi e malleabili. Questa mancata corrispondenza limita i luoghi in cui gli array di elettrodi possono essere utilizzati con successo, e richiede anche l'applicazione di una grande quantità di corrente elettrica per "saltare" lo spazio tra un elettrodo e il suo bersaglio.

Ispirato dalle proprietà fisiche uniche dei tessuti umani viventi, un team di scienziati del Wyss Institute di Harvard e della John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ha creato soluzioni flessibili, array di elettrodi privi di metallo che si adattano perfettamente alla miriade di forme del corpo, dalle pieghe profonde del cervello ai nervi fibrosi del cuore. Questo stretto abbraccio consente di registrare e stimolare gli impulsi elettrici con tensioni richieste inferiori, consente il loro utilizzo in zone del corpo difficili da raggiungere, e riduce al minimo il rischio di danni agli organi delicati.

"I nostri elettrodi a base di idrogel prendono splendidamente la forma di qualsiasi tessuto su cui sono posizionati, e aprire la porta alla facile creazione di prodotti meno invasivi, dispositivi medici personalizzati, " ha detto la prima autrice Christina Tringides, uno studente laureato presso il Wyss Institute e l'Harvard Biophysics Program. Il risultato è riportato in Nanotecnologia della natura .

Un dispositivo medico ispirato al corpo umano

Uno dei segni distintivi di tutti i tessuti viventi, in particolare il cervello e il midollo spinale, è che sono "viscoelastici", cioè torneranno alla loro forma originale se viene applicata una pressione su di loro e poi rilasciata, ma si deformerà permanentemente in una nuova forma se la pressione viene applicata continuamente. Un esempio comune è la misurazione dell'orecchio, in cui l'inserimento di un calibro sempre più grande in un orecchio forato allunga il foro nel lobo dell'orecchio nel tempo.

Tringides e il suo team si sono resi conto che gli idrogel di alginato, che sono stati sviluppati presso il Wyss Institute per una serie di funzioni tra cui adesivi chirurgici e incapsulamento di cellule singole, sono anche viscoelastici, e motivato che dovrebbero essere in grado di sintonizzarli per abbinare la viscoelasticità dei tessuti. Data la sua formazione in ingegneria neurale, Tringides ha deciso di provare a creare elettrodi completamente viscoelastici che potessero corrispondere alla viscoelasticità del cervello per un monitoraggio neuroelettrico più sicuro ed efficace. Gli elettrodi standard sono costituiti da schiere metalliche conduttive contenute all'interno di una sottile pellicola di plastica, e sono fino a un milione di volte più rigidi del cervello.

Il primo compito del team è stato quello di verificare se i loro idrogel di alginato potessero conformarsi con successo ai tessuti viventi. Dopo aver sperimentato diversi tipi di idrogel, hanno optato per una versione che corrispondesse maggiormente alle proprietà meccaniche del cervello e del tessuto cardiaco. Hanno quindi messo il loro idrogel su un falso "cervello" fatto di agarosio simile alla gelatina, e confrontato le sue prestazioni con quelle di un materiale plastico e di un materiale elastico.

L'idrogel di alginato ha avuto il doppio del contatto con il cervello simulato sottostante rispetto agli altri materiali, ed è stato persino in grado di entrare in alcuni dei numerosi solchi profondi del cervello. Quando hanno lasciato i materiali sui cervelli finti per due settimane, il materiale elastico si era sostanzialmente spostato dalla sua posizione originale ed era immediatamente tornato alla sua forma originale una volta rimosso dal finto tessuto sottostante. In contrasto, l'idrogel di alginato è rimasto in posizione per tutto il tempo e ha mantenuto la sua forma simile a un cervello dopo la rimozione.

Andare con il flusso

Ora che il team disponeva di un materiale in grado di flettersi e scorrere intorno ai tessuti, hanno dovuto inventare un elettrodo che potesse fare la stessa cosa. La stragrande maggioranza degli elettrodi è realizzata in metallo perché i metalli sono altamente conduttivi elettricamente, ma anche molto rigidi e poco flessibili.

Dopo molti esperimenti e nottate in laboratorio, il team ha identificato una combinazione di scaglie di grafene e nanotubi di carbonio come il loro candidato principale. "Parte del vantaggio di questi materiali è la loro forma lunga e stretta. È un po' come gettare per terra una scatola di spaghetti crudi, perché i noodles sono tutti lunghi e sottili, è probabile che si incrocino in più punti. Se lanci qualcosa di più corto e rotondo sul pavimento, come il riso, molti dei grani non si toccheranno affatto, " disse Tringide.

Quando questi materiali simili a spaghetti sono stati incorporati negli idrogel di alginato, si sono incrociati attraverso il gel per creare porosi, percorsi conduttivi attraverso i quali l'elettricità potrebbe viaggiare. Questi elettrodi flessibili possono essere piegati a più di 180 gradi e annodati senza rompersi, rendendoli un partner perfetto per l'idrogel di alginato viscoelastico.

Per mettere tutto insieme, il team ha circondato il loro nuovo elettrodo conduttivo con uno strato isolante di un polimero siliconico autorigenerante chiamato PDMS, che è stato poi inserito tra due strati di alginato idrogel. Il dispositivo risultante era altamente flessibile, e può essere allungato fino a 10 volte la sua lunghezza senza rompersi o strapparsi. Quando cellule cerebrali viventi come astrociti e neuroni sono state coltivate sui dispositivi, le cellule non hanno mostrato danni o altri effetti negativi, suggerendo che il dispositivo potrebbe essere utilizzato in sicurezza su tessuti viventi.

Un array alternativo per interventi chirurgici più sicuri

Il team ha quindi testato il loro nuovo array di elettrodi viscoelastici in condizioni reali collegandolo a un cuore di topo. Il dispositivo è rimasto in posizione sul tessuto mentre si muoveva, ed è rimasto intatto per decine di migliaia di contrazioni muscolari. I ricercatori hanno poi ampliato attaccando il loro dispositivo a un cervello di topo, un cuore di topo, e un cuore di vacca, tutto ciò non ha subito danni e nessuno slittamento del dispositivo, anche se piegato a più di 180 gradi. In contrasto, una serie di elettrodi commerciali non è rimasta in contatto con il cuore della mucca quando è piegata a più di 90 gradi.

Finalmente, la serie di elettrodi viscoelastici è stata utilizzata con successo sia per stimolare i nervi che per registrare l'attività elettrica in vivo. Quando il dispositivo è stato attaccato alla zampa posteriore di un topo vivente, i ricercatori hanno stimolato con successo diversi muscoli a contrarsi variando quale dei diversi elettrodi erogava la stimolazione. Hanno quindi collegato il loro dispositivo al cuore di un topo e al cervello di un topo durante gli interventi chirurgici. L'attività elettrica del cuore e del cervello è stata registrata con successo dal dispositivo, che è stato piegato per attaccarsi alle aree difficili da raggiungere e non ha causato lesioni agli animali durante l'uso.

"La viscoelasticità di questo dispositivo segna una nuova direzione nei dispositivi medici, che sono tipicamente progettati per essere puramente elastici, " ha detto l'autore corrispondente Dave Mooney, dottorato di ricerca, che è un membro della Wyss Core Faculty e leader della piattaforma Immuno-Materials dell'Istituto. "Seguendo l'approccio opposto, possiamo interfacciarci con i tessuti del corpo molto più da vicino, consentendo un'interfaccia più funzionale senza danneggiare il tessuto." Mooney è anche il professore di bioingegneria della famiglia Robert P. Pinkas presso SEAS.

Il team sta continuando a sviluppare i propri dispositivi, e sta attualmente lavorando per convalidarli in animali più grandi in vivo con l'obiettivo finale di renderli disponibili per l'uso durante procedure mediche come la chirurgia di rimozione del tumore al cervello e la mappatura dell'epilessia. Sperano anche che questa nuova tecnologia consentirà di eseguire la registrazione e la stimolazione elettrica in parti del corpo che sono attualmente inaccessibili ai dispositivi disponibili in commercio.

"Adoro il pensiero fuori dagli schemi che questo team ha usato per affrontare il problema degli elettrodi semirigidi sfidando l'ipotesi che dovessero essere fatti di metallo e plastica solida per essere efficaci. Questo tipo di pensiero progettuale, risoluzione dei problemi, e l'apprezzamento per l'importanza di abbinare i meccanismi dei sistemi viventi è ciò che ci sforziamo di coltivare e incoraggiare al Wyss Institute, e questo è un ottimo esempio dei benefici che si possono trarre di conseguenza, " disse Don Ingber, M.D., dottorato di ricerca, direttore fondatore del Wyss Institute.