Elettronica interna: colmare il divario con l'oro

Il mercato per dispositivi medici impiantabili è in costante crescita, spinto dall’aumento dei disturbi cronici e dalla crescente consapevolezza dei consumatori. Il ritmo è abilmente supportato dalla tecnologia progressi, contribuendo a rendere questi dispositivi più efficienti, convenienti ed economici. 

I numeri suggeriscono che il mercato dei dispositivi medici impiantabili a livello mondiale quasi raddoppierà in un decennio, da 105.7 miliardi di dollari nel 2023 a 207.0 miliardi di dollari nel 2033. Oggi inizieremo esaminando una delle innovazioni più significative in questo campo negli ultimi tempi, che è anche sintomatica del fiorente spazio dove la fisiologia medica interseca l’elettronica efficiente. 

Nanofili d'oro ed elettrodi morbidi sono pronti per essere collegati al sistema nervoso 

Un team di ricercatori dell'Università di Linköping ha ha creato nanofili d'oro e sviluppato elettrodi morbidi in grado di farlo lavoro equivalente ai nervi umani loro elasticità, conduzione elettrica e durata all'interno del corpo. 

Ricercatori ed esperti vedono un immenso potenziale in questa innovazione. Iniziare con, apre le frontiere dove potrebbe essere possibile utilizzarlo oro nelle interfacce morbide per collegare l'elettronica al sistema nervoso per scopi medici. 

Se utilizzato correttamente, può alleviare condizioni complesse come l’epilessia, Parkinson malattie e paralisi e una preoccupazione onnipresente quanto il dolore cronico. 

Da tempo ormai i ricercatori di tutto il mondo sono interessati alla creazione di elettrodi morbidi che non danneggiare , il tessuto. Questo particolare risultato ottenuto dai ricercatori dell'Università di Linköping ha contribuito a raggiungere questo obiettivo creando nanofili d'oro che Erano mille volte più sottili dei capelli e incorporati in un materiale elastico che poteva funzionare come microelettrodi morbidi. 

Klas Tybrandt, pur sottolineando l'unicità della ricerca e i suoi risultati, ha avuto la seguente cosa da dire:

"Abbiamo sono riusciti a creare un nuovo e migliore nanomateriale partendo da nanofili d'oro in combinazione con gomma siliconica molto morbida. Farli lavorare insieme ha prodotto un conduttore con elevata conduttività elettrica, molto morbido e realizzato con materiali biocompatibili che funzionano con il corpo. "

Creazione di nanofili d'oro: sfide incontrate e superate

Una delle maggiori difficoltà che i ricercatori hanno dovuto affrontare riguardava la produzione di nanostrutture d'oro lunghe e strette. I ricercatori hanno trovato un modo unico per superare questa sfida, utilizzando nanofili d'argento. Spiegare come questa impresa unica potrebbe essere raggiunta, Klas Tybrant ha detto quanto segue:

"As è possibile realizzare nanofili d'argento, ne approfittiamo e utilizziamo il nanofilo d'argento come una sorta di modello su cui coltiviamo l'oro. Il passo successivo nel processo è rimuovere l'argento. Una volta questo è fatto, abbiamo un materiale che contiene oltre il 99% di oro. "

Inizialmente, i ricercatori non potevano utilizzare l’argento perché è chimicamente reattivo, si consuma nel tempo e rischia di rompersi e scolorirsi. Inoltre, elevate concentrazioni di argento possono essere tossiche per il corpo umano. Pertanto, dovettero rivestirlo d'oro.

Per quanto riguarda il materiale ideato e la sua durabilità, i ricercatori ritengono che la loro soluzione potrebbe durare almeno tre anni, superando in prestazioni molti nanomateriali sviluppati in precedenza.

Presto il gruppo di ricerca inizierà a lavorare per perfezionare il materiale e creare diversi tipi di elettrodi ancora più piccoli e in grado di entrare in più stretto contatto con le cellule nervose.

Il variegato mondo degli impiantabili

Sebbene l’utilità di questa ricerca sia già stata citata, ci sono molti altri impiantabili disponibili nello spazio della tecnologia medica. Contribuiscono a rendere la diagnosi e il trattamento più coerenti, convenienti ed efficienti. 

Ad esempio, gli scienziati della Georgia Tech University hanno sviluppato un sensore impiantabile e indossabile che monitora la guarigione degli aneurismi nei vasi sanguigni del cervello. Poiché funziona senza batterie, può essere avvolto attorno a stent o deviatori impiantati per regolare il flusso sanguigno.

Il sensore viene creato utilizzando la stampa 3D a getto di aerosol, che deposita tracce d’argento conduttive su substrati elastomerici. Inserito tramite catetere, utilizza l'accoppiamento induttivo di segnali per il rilevamento wireless dell'emodinamica dell'aneurisma cerebrale biomimetico.

Il processo prevede tre bobine. Una bobina cattura l'energia elettromagnetica trasmessa da un'altra bobina all'esterno del corpo. Mentre il sangue scorre attraverso lo stent, il sensore impiantato cambia la sua capacità, alterando il segnale trasmesso a una terza bobina esterna.

In un altro esempio di una linea di lavoro simile, un gruppo di ingegneri della Texas A&M University ha sviluppato un dispositivo che utilizza il grafene e inietta corrente alternata nella pelle per monitorare la pressione sanguigna. 

Chiamati tatuaggi elettronici al grafene, questi sensori adesivi al grafene possono monitorare la salute cardiovascolare tramite un monitoraggio continuo. Possono continuare a lavorare e raccogliere dati rilevanti anche quando il paziente dorme, fa esercizio o sta sperimentando situazioni ad alto stress. 

Sono inoltre in corso ricerche per determinare in che modo questi dispositivi impiantabili possono sfruttare e utilizzare l’energia. Ad esempio, un team di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology ha sviluppato una batteria che trae energia dal glucosio. La nuova batteria misura solo 400 nanometri di spessore, ovvero circa 1/100 del diametro di un capello umano. Genera circa 43 microwatt per centimetro quadrato di elettricità e può resistere temperature fino a 600°C. 

I ricercatori hanno utilizzato un substrato ceramico ultrasottile e una soluzione di glucosio per conferire flessibilità alla batteria e renderla comoda da posizionare all’interno del corpo. 

Mentre i ricercatori stanno lavorando venire con quante più soluzioni tecnologiche nuove e uniche possibili, alcune aziende hanno lavorato per rendere disponibili dispositivi impiantabili efficienti per l’adozione di massa. Nei prossimi segmenti lo faremo guardare dentro un paio di soluzioni commerciali di questo tipo. 

#1. CorTec

Uno delle aziende che hanno costantemente fornito soluzioni innovative è CorTec. Un'azienda ISO 13485, CorTec sviluppa e produce prodotti e componenti per la neuromodulazione e la tecnologia degli impianti attivi nei suoi laboratori interni e nelle infrastrutture delle camere bianche. 

Quello di CorTec La gamma brevettata di elettrodi AirRay si rivela utile per stimolazione e registrazione del tessuto nervoso, fungendo da interfacce ideali per il sistema nervoso per i dispositivi medici. 

Ad esempio, gli elettrodi del bracciale AirRay forniscono un'interfaccia elettrica con il sistema nervoso periferico, mentre gli elettrodi a griglia e a striscia sono progettati per l'interfaccia con il sistema nervoso centrale. Gli elettrodi percutanei AirRay sono destinati all'uso sottocutaneo, nonché alla registrazione e alla stimolazione del midollo spinale. Infine, gli elettrodi a piastra AirRay offrono un'interfaccia elettrica con il sistema nervoso centrale, mirando specificamente al midollo spinale.

Oltre a questa gamma, uno dei Quello di CorTec le soluzioni brevettate includono anche i suoi elettrodi corticali. Questi sono Quello di CorTec Elettrodi ECoG per il neuromonitoraggio invasivo. Attraverso questi elettrodi è possibile effettuare il monitoraggio dei segnali elettrici del cervello, ovvero in linea con i requisiti della localizzazione dei focolai epilettogeni o mappatura del cervello. Gli elettrodi possono essere utilizzato per un massimo di 29 giorni, ed è possibile collegare un totale di 64 elettrodi utilizzando solo due cavi. I contatti degli elettrodi sono quasi impalpabili e si bloccano in modo sicuro con il materiale per impedirne la separazione dal silicone.

Uno degli aspetti più cruciali di Quello di CorTec elettrodi corticali è che la FDA lo ha ritenuto idoneo all'approvazione e all'autorizzazione al mercato per il neuromonitoraggio invasivo nel sistema nervoso centrale. Il portafoglio di prodotti comprende tutte le possibili disposizioni dei contatti da 1×4 a 8×8 contatti degli elettrodi.

Oltre a notevoli finanziamenti pubblici, CorTec, come da sua dichiarazione ufficiale, ha raccolto quattro round di finanziamento. Il suo elenco di investitori attuali comprende Mangold Invest, M-Invest, Kfw, High-Tech Gruenderfonds, Santo Venture Capital GmbH, LBBW Venture Capital e K & SW Invest. 

Il finanziamento pubblico comprende sussidi del Ministero federale tedesco dell'Istruzione e della ricerca (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF) e dell'Unione Europea.

#2. Atrotech

Un’altra azienda che da decenni svolge un lavoro di nicchia ma rivoluzionario in questo spazio è Atrotech. Fondata nel 1984 e situata nella Technopolis Hermia, Tampere, Finlandia, Atrotech è nata come risultato di idee di prodotto interdisciplinari che combinavano la medicina e la bioingegneria scientifiche, con il focus principale delle attività nel campo della stimolazione elettrica funzionale (FES). 

Due di Quella di Atrotech i principali contributi in questo campo includono la progettazione e la produzione di neurostimolatori impiantabili ed elettrodi impiantabili. 

Nella progettazione degli elettrodi, l'azienda sfrutta i suoi oltre 30 anni di esperienza nella produzione elettrodi di contatto in platino di alta qualità, cavi e connettori multipolari. L'area di servizio a cui si rivolge include progetti di ricerca, sperimentazioni cliniche e dispositivi medici distribuiti a livello commerciale. 

Azienda ha una processo produttivo flessibile, consentendogli di farlo produrre piccole quantità nonché volumi su larga scala in modo rapido ed economicamente vantaggioso. Inoltre, l’azienda è in contatto con numerosi medici e università nelle fasi iniziali dello sviluppo e della prototipazione of potenziali nuovi dispositivi medici.

Uno degli studi la società ha recentemente finanziato era finalizzato a valutare la fattibilità e la sicurezza di un nuovo approccio di neurostimolazione temporanea, rimovibile, impiantato chirurgicamente che coinvolge la porzione distale del nervo frenico. Per lo studio, l'azienda ha sviluppato un modello appositamente progettato, Elettrodo per stimolatore temporaneo del nervo frenico (tPNS). 

Tale collaborazione tra aziende specializzate e focalizzate sul settore e un gruppo di ricercatori e medici sparsi in tutto il mondo fa sì che il futuro dell’elettronica interna appaia luminoso e pronto a prosperare. 

La traiettoria futura dell'elettronica interna

Secondo una recente ricerca pubblicata nel luglio 2024 sulla rivista 'Naturae', i ricercatori hanno sviluppato un elettrodo impiantabile basato su una lega bioriassorbibile Mg-Nd-Zn-Zr che funzionerebbe bene in un'applicazione di saldatura dei tessuti a radiofrequenza (RF) di prossima generazione.

L'elettrodo è prevista per ridurre il danno termico e aumentare la forza anastomotica. Progettato con diverse caratteristiche strutturali di superficie cilindrica (CS) e anello lungo continuo (LR) nella zona di saldatura, il elettrodo simulazioni elettrotermiche sono stati studiati mediante analisi agli elementi finiti (FEA).

I risultati hanno mostrato che la temperatura media nella zona di saldatura e la percentuale di tessuto necrotico sono diminuite notevolmente quando si applica una corrente alternata di 110 V per 10 secondi all'elettrodo LR. Anche le temperature massime e medie dei tessuti saldati dall'elettrodo LR potrebbero essere significativamente ridotte mentre la resistenza anastomotica del tessuto saldato è migliorata.

Imec, laboratorio fondato nel 1984 per assistere e consentire all’industria dei semiconduttori di espandersi funzionalmente, ha anche fatto alcune scoperte pionieristiche negli impianti impiantabili su scala nanometrica. Ha contribuito a sviluppare impianti minimamente invasivi adatti per le protesi tattili di prossima generazione. Il prototipo di chip impiantabile che Imec ha sviluppato insieme all’Università della Florida offre ai pazienti un controllo più intuitivo sulle loro protesi del braccio. Uno dei suoi componenti principali, il chip di silicio sottile, è il Il mondo di prima per la densità degli elettrodi and è stato sviluppato come parte del progetto IMPRESS finanziato da di DARPA Programma HAPTIX per creare un sistema a circuito chiuso per la tecnologia delle protesi tattili di futura generazione.

Una delle pubblicazioni scientifiche sul importanza della bioelettronica impiantabile a base di carbonio fece un'osservazione cruciale sull'utilità dell'elettronica interna. Per citare testualmente la pubblicazione osserva:

"Poiché la bioelettronica impiantabile può percepire informazioni corporee o suscitare reazioni corporee in creature viventi da siti esterni al corpo, stanno diventando rimedi utili e promettenti per una varietà di disturbi.. "

Nel futuro, i materiali in carbonio svolgeranno un ruolo cruciale nella produzione di elettronica medica impiantabile. Questi vantaggi includono il carbonio materiali' biocompatibilità di alto livello, resistenza alla fatica e basso peso specifico. Questi materiali sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, inclusi dispositivi per la somministrazione di farmaci, biosensori, stimolatori terapeutici e accumulo di energia. Tutte queste proprietà hanno un ruolo da svolgere nei campi dei sistemi neurologico, cardiovascolare, gastrointestinale e locomotore.

Attuatori impiantabili, biosensori, sistemi di somministrazione di farmaci e alimentatori beneficiano tutti dei progressi nel campo dell'elettronica interna o impiantabile. Ulteriori progressi in quest’area richiederanno un approccio più intersezionale che coinvolga ricercatori di bioscienze, scienziati dei materiali e fisici di tutto il mondo.

Fare clic qui per un elenco dei principali titoli biotecnologici.