I congegni biodegradabili migliorano le prestazioni degli impianti medici
di Katherine Bourzac
La prossima generazione di congegni medici impiantabili si affiderà a materiali ad alta tecnologia prodotti non nelle fonderie, ma nella pancia di un baco. Fiorenzo Omenetto, ingegnere biomedico della Tufts University, usa la seta come base per dispositivi elettronici e ottici impiantabili, che combineranno monitoraggio dei segni vitali, analisi del sangue, formazione di immagini e intervento terapeutico, e si dissolveranno senza rischi una volta che la loro missione sarà esaurita.
I congegni elettronici impiantati forniscono un’immagine più chiara di quanto accade all’interno dell’organismo al fine di tenere sotto controllo le malattie croniche o le fasi successive agli interventi chirurgici, ma i problemi di biocompatibilità ne restringono l’utilizzo. Molti materiali di impiego comune in campo elettronico provocano reazioni del sistema immunitario una volta impiantati. A oggi, la maggiore parte dei congegni impiantabili deve essere prima o poi sostituita o rimossa chirurgicamente; in queste condizioni, di conseguenza, gli impianti vengono utilizzati solo in situazioni critiche, come nel caso dei pacemaker. La seta, invece, è biodegradabile e leggera, trasporta la luce come il vetro dei dispositivi ottici e, anche se non può essere inserita nei transistor o nei fili elettrici, può servire da supporto meccanico per una serie di dispositivi attivi elettronicamente, consentendo loro di disporsi sui tessuti biologici senza provocare irritazione. A seconda del suo processo di produzione, la seta può decomporsi all’interno dell’organismo quasi istantaneamente o rimanere intatta per anni. è anche in grado di conservare per un lungo periodo molecole delicate come gli enzimi.
Omenetto ha cominciato a lavorare con la seta tre anni fa, quando il suo collega David Kaplan, un ingegnere biomedico, gli chiese di aiutarlo a mettere a punto i materiali per la costruzione di impalcature complesse che sostenessero la crescita di nuovi tessuti. Omenetto fece bollire i bozzoli dei bachi da seta e depurò la soluzione ottenuta per creare il suo ingrediente principale: una soluzione acquosa della proteina della seta, chiamata fibroina. Questa soluzione si versa negli stampi per formare strutture con caratteristiche che non superano in larghezza i 10 nanometri. Omenetto l’ha inserita in una lunga serie di dispositivi ottici, come lenti, specchi, prismi e fibre ottiche che servono a dirigere la luce verso (e da) i biosensori impiantati nell’organismo. Se si mescolano anticorpi o enzimi alla soluzione contenente la seta prima di versarla negli stampi, si ottengono congegni che potrebbero, in futuro, rilevare basse concentrazioni di qualsiasi molecola biologica, dal glucosio ai marcatori tumorali.
In collaborazione con Kaplan e John Rogers, scienziato dei materiali, dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign, Omenetto ha prodotto impianti che coniugano seta ed elettronica flessibile al silicio. Il gruppo ha utilizzato, per esempio, pellicole di seta per disporre in ordine schiere di minuscoli transistor di silicio e LED, vale a dire una possibile base per dispositivi impiantabili in grado di identificare la concentrazione dei marcatori di una malattia. I ricercatori hanno dimostrato che i congegni funzionano bene in animali piccoli, senza lasciare cicatrici o provocare risposte immunitarie. La seta si dissolve, lasciando alle sue spalle solo una modesta quantità di silicio e altri materiali utilizzati nei circuiti.
Un altro congegno sfrutta la seta come supporto per un reticolo di elettrodi metallici progettato per sostituire gli elettrodi a spillo che vengono posizionati sulla superficie del cervello per diagnosticare e curare malattie come l’epilessia. Se immersa in una soluzione salina, la seta avvolge il reticolo sulla superficie del cervello (infilandosi anche nelle pieghe), consentendo agli elettrodi di misurare con enorme precisione l’attività neurale. Gli elettrodi a base serica saranno probabilmente i primi tra i congegni del gruppo a venire sperimentati sulle persone, forse nel giro di due o tre anni.
Omenetto prevede altre possibilità future: per esempio, una fibra ottica di seta potrebbe trasmettere luce da una serie di LED a un sensore serico impiantato, che dovrebbe cambiare colore per indicare la presenza di un cancro. Il congegno potrebbe allora rilasciare una dose esattamente calibrata di un farmaco. Una seconda fibra di seta potrebbe inviare l’informazione alla superficie della pelle del paziente, dove verrebbe letta da un telefono cellulare. Tutti i componenti per realizzare questi progetti esistono, spiega Omenetto. Una volta messi insieme i diversi pezzi, sarà il caso di dire che un sottile filo di seta salverà molte vite.
