Elettrodo morbido stampabile e privo di metallo

Un nuovo materiale simile alla gelatina potrebbe sostituire i metalli come interfacce elettriche per pacemaker, impianti cocleari e altri impianti elettronici

Effettua una ricerca di immagini per “impianti elettronici” e disegnerai un vasto assortimento di dispositivi, dai tradizionali pacemaker e impianti cocleari ai più futuristici microchip cerebrali e retinici volti ad aumentare la vista, curare la depressione e ripristinare la mobilità.

Alcuni impianti sono duri e voluminosi, mentre altri sono flessibili e sottili. Ma indipendentemente dalla loro forma e funzione, quasi tutti gli impianti incorporano elettrodi, piccoli elementi conduttivi che si attaccano direttamente ai tessuti bersaglio per stimolare elettricamente muscoli e nervi.

Gli elettrodi impiantabili sono prevalentemente costituiti da metalli rigidi che sono elettricamente conduttivi per natura. Ma nel tempo, i metalli possono aggravare i tessuti, causando cicatrici e infiammazioni che a loro volta possono degradare le prestazioni di un impianto.

Un articolo, pubblicato da Nature Materials (1), descrive lo sviluppo, da parte degli ingegneri del MIT, di un materiale simile alla gelatina privo di metalli, morbido e resistente come il tessuto biologico e in grado di condurre l'elettricità in modo simile ai metalli convenzionali. Il materiale può essere trasformato in un inchiostro stampabile, che i ricercatori hanno modellato in elettrodi flessibili e gommosi. Il nuovo materiale, che è un tipo di idrogel polimerico conduttore ad alte prestazioni, potrebbe un giorno sostituire i metalli come elettrodi funzionali a base di gel, con l'aspetto e la sensazione del tessuto biologico.

«Questo materiale funziona allo stesso modo degli elettrodi metallici, ma è costituito da gel simili ai nostri corpi e con un contenuto d'acqua simile», afferma la Hyunwoo Yuk SM '16 PhD '21, co-fondatrice di SanaHeal, una startup di dispositivi medici. «È come un tessuto o un nervo artificiale».

«Riteniamo che per la prima volta disponiamo di un elettrodo resistente, robusto, simile a una gelatina che può potenzialmente sostituire il metallo per stimolare i nervi e interfacciarsi con il cuore, il cervello e altri organi del corpo», aggiunge il dottor Xuanhe Zhao (2), professore di ingegneria meccanica e di ingegneria civile e ambientale al MIT.

Una vera sfida

La stragrande maggioranza dei polimeri è isolante per natura, il che significa che l'elettricità non li attraversa facilmente. Ma esiste una piccola e speciale classe di polimeri che può di fatto far passare gli elettroni attraverso la loro massa. Alcuni polimeri conduttivi hanno dimostrato per la prima volta di esibire un'elevata conducibilità elettrica negli anni '70, un lavoro che è stato successivamente premiato con un premio Nobel per la chimica.

Recentemente, i ricercatori, compresi quelli del laboratorio di Zhao, hanno provato a utilizzare polimeri conduttivi per fabbricare elettrodi morbidi e privi di metallo da utilizzare in impianti bioelettronici e altri dispositivi medici. Questi sforzi hanno mirato a realizzare pellicole e cerotti morbidi ma resistenti, elettricamente conduttivi, principalmente mescolando particelle di polimeri conduttivi, con idrogel, un tipo di polimero morbido e spugnoso ricco di acqua.

I ricercatori speravano che la combinazione di polimero conduttivo e idrogel avrebbe prodotto un gel flessibile, biocompatibile ed elettricamente conduttivo. Ma i materiali realizzati fino ad oggi erano o troppo deboli e fragili, oppure esibivano scarse prestazioni elettriche.

«Nei materiali in gel, le proprietà elettriche e meccaniche combattono sempre tra loro». afferma Hyunwoo Yuk. «Se migliori le proprietà elettriche di un gel, devi sacrificare le proprietà meccaniche e viceversa. Ma in realtà abbiamo bisogno di entrambi: un materiale deve essere conduttivo, elastico e robusto. Questa era la vera sfida e il motivo per cui le persone non potevano trasformare i polimeri conduttivi in dispositivi affidabili interamente realizzati in gel».

Spaghetti elettrici

Nel loro nuovo studio, Yuk e i suoi colleghi hanno scoperto di aver bisogno di una nuova ricetta per mescolare polimeri conduttivi con idrogel in un modo che migliorasse sia le proprietà elettriche che meccaniche dei rispettivi ingredienti.

«Le persone in precedenza facevano affidamento sulla miscelazione omogenea e casuale dei due materiali», afferma la Hyunwoo Yuk.

Tali miscele producevano gel fatti di particelle polimeriche disperse casualmente. Il gruppo si è reso conto che per preservare le resistenze elettriche e meccaniche rispettivamente del polimero conduttivo e dell'idrogel, entrambi gli ingredienti dovrebbero essere miscelati in modo che si respingano leggermente, uno stato noto come separazione di fase. In questo stato leggermente separato, ogni ingrediente potrebbe quindi collegare i suoi rispettivi polimeri per formare lunghi filamenti microscopici, mescolandosi anche nel loro insieme.

Hyunwoo Yuk SM '16 PhD '21, co-fondatore di SanaHeal, precisa: «Immagina di fare spaghetti elettrici e meccanici. Lo spaghetto elettrico è il polimero conduttivo, che ora può trasmettere elettricità attraverso il materiale perché è continuo. E lo spaghetto meccanico è l'idrogel, che può trasmettere forze meccaniche ed essere duro ed elastico perché è anche continuo».

I ricercatori hanno quindi modificato la ricetta per cuocere il gel spaghettificato in un inchiostro, che hanno alimentato attraverso una stampante 3D e stampato su pellicole di puro idrogel, in modelli simili agli elettrodi metallici convenzionali.

«Poiché questo gel è stampabile in 3D, possiamo personalizzare geometrie e forme, il che rende facile fabbricare interfacce elettriche per tutti i tipi di organi», afferma il primo autore, il dottor Xuanhe Zhao.

I ricercatori hanno quindi impiantato gli elettrodi stampati simili a gelatina sul cuore, sul nervo sciatico e sul midollo spinale dei ratti. Il team ha testato le prestazioni elettriche e meccaniche degli elettrodi negli animali per un massimo di due mesi e ha scoperto che i dispositivi sono rimasti stabili per tutto il tempo, con poca infiammazione o cicatrizzazione dei tessuti circostanti. Gli elettrodi sono stati anche in grado di trasmettere impulsi elettrici dal cuore a un monitor esterno, oltre a fornire piccoli impulsi al nervo sciatico e al midollo spinale, che a loro volta hanno stimolato l'attività motoria nei muscoli e negli arti associati.

Andando avanti, Yuk prevede che un'applicazione immediata per il nuovo materiale potrebbe riguardare le persone che si stanno riprendendo da un intervento al cuore.

La società Hyunwoo Yuk afferma che «Questi pazienti hanno bisogno di alcune settimane di supporto elettrico per evitare l'infarto come effetto collaterale dell'intervento chirurgico. Quindi, i medici cuciono un elettrodo metallico sulla superficie del cuore e lo stimolano per settimane. Potremmo sostituire quegli elettrodi metallici con il nostro gel per ridurre al minimo le complicazioni e gli effetti collaterali che le persone attualmente accettano».

Il team sta lavorando per estendere la durata e le prestazioni del materiale. Quindi, il gel potrebbe essere utilizzato come interfaccia elettrica morbida tra organi e impianti a lungo termine, inclusi pacemaker e stimolatori cerebrali profondi.

«L'obiettivo del nostro gruppo è sostituire il vetro, la ceramica e il metallo all'interno del corpo, con qualcosa come Jell-O, quindi è più benigno ma con prestazioni migliori e può durare a lungo», afferma Zhao. «Questa è la nostra speranza».

Questa ricerca è supportata, in parte, dal National Institutes of Health. I coautori dello studio includono il primo autore ed ex postdoc del MIT Tao Zhou, che ora è assistente professore alla Penn State University, e colleghi della Jiangxi Science and Technology Normal University e della Shanghai Jiao Tong University.

Riferimenti:

(1) 3D printable high-performance conducting polymer hydrogel for all-hydrogel bioelectronic interfaces

(2) Xuanhe Zhao LAB

Descrizione foto: Gli ingegneri del MIT hanno sviluppato un materiale simile alla gelatina privo di metalli, morbido e resistente come il tessuto biologico e in grado di condurre l'elettricità in modo simile ai metalli convenzionali. Il nuovo materiale, che è un tipo di idrogel polimerico conduttore ad alte prestazioni, potrebbe un giorno sostituire i metalli negli elettrodi dei dispositivi medici. - Credit: Felice Frankel.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: MIT engineers develop a soft, printable, metal-free electrode