I dispositivi elettronici per il monitoraggio costante della salute del paziente sono molto richiesti nella medicina moderna. Questi impianti possono essere realizzati con materiali completamente sicuri e segnalano picchi di zucchero nel sangue, pressione sanguigna o la comparsa di una risposta immunitaria ai farmaci.
Nonostante le prestazioni a lungo termine, un giorno tali dispositivi dovranno essere smaltiti. L'ovvia soluzione al problema - la rimozione chirurgica dell'impianto - chiaramente non è la migliore, poiché qualsiasi intervento di questo tipo sarà doloroso e talvolta pericoloso.
Pertanto, molti gruppi di bioingegneri in tutto il mondo stanno sviluppando dispositivi che sono incorporati nel corpo, che potrebbero dissolversi in modo indipendente ed essere escreti dal corpo dopo la data di scadenza.
“La creazione di tali impianti è un grande passo avanti. Fino a poco tempo, non sono stati compiuti progressi nello sviluppo di dispositivi biomedici solubili , afferma il coautore Jeffrey Borenstein del Draper Laboratory in Massachusetts, USA.
Nel 2012, il collega scienziato dei materiali di Borenstein John Rogers dell'Università dell'Illinois e il suo gruppo hanno presentato una serie di chip di silicio biodegradabile in grado di controllare la temperatura o la deformazione meccanica, trasmettere informazioni a dispositivi esterni al corpo (a un computer o smartphone, per esempio) e persino a riscaldare i tessuti del corpo. per prevenire l'infezione. Alcuni di questi chip erano alimentati da bobine di induzione per fornire alimentazione wireless da fonti esterne.
Ma la trasmissione wireless di energia non è molto adatta per gli impianti sottocutanei, che a volte devono essere inseriti in strati profondi di tessuto o addirittura sotto l'osso. Inoltre, i componenti di tali dispositivi sono molto complessi e ingombranti. Dopo aver esaminato questi problemi, Rogers e il suo team hanno creato batterie completamente biodegradabili ottimizzate per completare i dispositivi esistenti.
Gli ingegneri hanno utilizzato fogli di magnesio come anodi e una piastra di ferro, molibdeno o tungsteno per i catodi. Tutti questi metalli si dissolveranno lentamente nel corpo e i loro ioni a basse concentrazioni sono biocompatibili.
L'elettrolita tra i due elettrodi è un tampone fosfato di sodio. Tutti questi componenti sono inoltre confezionati in un polimero biodegradabile, la polianidride.
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Come riportato in un articolo pubblicato sulla rivista Advanced Materials, l'amperaggio del dispositivo può variare a seconda del metallo utilizzato nel catodo. Ad esempio, una cella quadrata di un centimetro con un anodo di magnesio spesso 50 micrometri e un catodo di molibdeno spesso 8 micrometri fornisce 2,4 milliampere.
Una volta sciolta, la batteria rilascia meno di 9 milligrammi di magnesio. (Foto dall'Università dell'Illinois)
Una volta dissolta, una tale batteria rilascia meno di 9 milligrammi di magnesio, che è circa il doppio dello stent dell'arteria coronaria in magnesio che è stato testato con successo negli studi clinici. Tali concentrazioni potrebbero non causare problemi, ha detto Rogers.
Finora, tutte le versioni del dispositivo biodegradabile sono in grado di funzionare nel corpo per 24 ore, ma gli ingegneri stanno già lavorando per aumentare la vita potenziale della produttività. Sperano anche di aumentare la densità di energia modificando la superficie del foglio di magnesio. L'ampia superficie aumenterà la reattività del materiale. Secondo le stime preliminari degli autori dello studio, una batteria di 0,25 centimetri quadrati e con uno spessore di un solo micrometro è in grado di alimentare un sensore sottocutaneo durante il giorno.
Si noti che lo sviluppo di Rogers è un potenziale concorrente del progetto di Christopher Bettinger: quest'ultimo ha utilizzato il pigmento della pelle melanina per creare gli anodi per la massima sicurezza del bioaccumulatore. Tuttavia, l'analisi comparativa ha mostrato che le batterie all'anodo di magnesio di Rogers sono altrettanto sicure, ma hanno una densità di energia maggiore e una vita più lunga, il che significa che vincono.
Borenstein aggiunge che tali dispositivi possono essere utilizzati non solo per il monitoraggio biomedico e la somministrazione di farmaci, ma anche, ad esempio, come sensori per valutare continuamente lo stato dell'ambiente. I sensori degradabili possono essere posizionati nell'oceano, dove monitorano il grado di contaminazione e alla fine della loro vita si dissolveranno quasi senza lasciare traccia.
