Sebbene i veri “cyborg” – in parte umani, in parte esseri robotici – siano fantascienza, i ricercatori stanno compiendo passi verso l’integrazione dell’elettronica con il corpo. Tali dispositivi potrebbero monitorare lo sviluppo del tumore o sostituire i tessuti danneggiati. Ma collegare l’elettronica direttamente ai tessuti umani nel corpo è una sfida enorme. Ora, un team sta segnalando nuovi rivestimenti per componenti che potrebbero aiutarli a inserirsi più facilmente in questo ambiente.
I ricercatori presenteranno i loro risultati oggi (Agusut 17, 2020) all’American Chemical Society (ACS) Fall 2020 Virtual Meeting & Expo. ACS terrà la riunione fino a giovedì. Contiene più di 6.000 presentazioni su una vasta gamma di argomenti scientifici.
“Abbiamo avuto l’idea di questo progetto perché stavamo cercando di interfacciare microelettrodi inorganici rigidi con il cervello, ma il cervello è fatto di materiali organici, salati e vivi”, afferma David Martin, Ph.D., che ha guidato lo studio. “Non funzionava bene, quindi abbiamo pensato che ci doveva essere un modo migliore.”
I materiali microelettronici tradizionali, come il silicio, l’oro, l’acciaio inossidabile e l’iridio, provocano cicatrici quando vengono impiantati. Per le applicazioni nel tessuto muscolare o cerebrale, i segnali elettrici devono fluire affinché funzionino correttamente, ma le cicatrici interrompono questa attività. I ricercatori hanno pensato che un rivestimento potrebbe aiutare.
Modello molecolare PEDOT Maleimide
Modello molecolare di PEDOT con maleimmide; gli atomi di carbonio sono grigi, rosso ossigenato, blu azotato, giallo zolfo e bianco idrogeno. Credito: David Martin
“Abbiamo iniziato a esaminare i materiali elettronici organici come i polimeri coniugati che venivano utilizzati in dispositivi non biologici”, afferma Martin, che lavora all’Università del Delaware. “Abbiamo trovato un esempio chimicamente stabile che è stato venduto commercialmente come rivestimento antistatico per display elettronici”. Dopo i test, i ricercatori hanno scoperto che il polimero aveva le proprietà necessarie per interfacciare l’hardware e il tessuto umano.
“Questi polimeri coniugati sono elettricamente attivi, ma sono anche ionicamente attivi”, afferma Martin. “I controioni danno loro la carica di cui hanno bisogno, quindi quando sono in funzione, sia gli elettroni che gli ioni si muovono”. Il polimero, noto come poli (3,4-etilendiossitiofene) o PEDOT, ha migliorato notevolmente le prestazioni degli impianti medici abbassando la loro impedenza da due a tre ordini di grandezza, aumentando così la qualità del segnale e la durata della batteria nei pazienti.
Da allora Martin ha deciso come specializzare il polimero, inserendo diversi gruppi funzionali su PEDOT. L’aggiunta di un sostituente acido carbossilico , aldeide o maleimmide al monomero etilendiossitiofene (EDOT) offre ai ricercatori la versatilità per creare polimeri con una varietà di funzioni.
“La maleimmide è particolarmente potente perché possiamo fare sostituzioni chimiche tramite clic per creare polimeri e biopolimeri funzionalizzati”, afferma Martin. Mescolando il monomero non sostituito con la versione sostituita dalla maleimmide si ottiene un materiale con molte posizioni in cui il team può attaccare peptidi, anticorpi o DNA . “Dai un nome alla tua biomolecola preferita e in linea di principio puoi realizzare un film PEDOT che abbia qualsiasi gruppo biofunzionale a cui potresti essere interessato”, dice.
Più recentemente, il gruppo di Martin ha creato un film PEDOT con un anticorpo per il fattore di crescita endoteliale vascolare (VEGF) attaccato. Il VEGF stimola la crescita dei vasi sanguigni dopo un infortunio e i tumori dirottano questa proteina per aumentare il loro apporto di sangue. Il polimero sviluppato dal team potrebbe fungere da sensore per rilevare la sovraespressione di VEGF e quindi le prime fasi della malattia, tra le altre potenziali applicazioni.
Altri polimeri funzionalizzati hanno neurotrasmettitori e questi film potrebbero aiutare a rilevare o trattare i disturbi del cervello o del sistema nervoso. Finora, il team ha realizzato un polimero con dopamina, che svolge un ruolo nei comportamenti di dipendenza, nonché varianti funzionalizzate dalla dopamina del monomero EDOT. Martin dice che questi materiali ibridi biologico-sintetici potrebbero un giorno essere utili per fondere l’intelligenza artificiale con il cervello umano.
In definitiva, dice Martin, il suo sogno è quello di essere in grado di adattare il modo in cui questi materiali si depositano su una superficie e quindi di inserirli nei tessuti di un organismo vivente. “La capacità di fare la polimerizzazione in modo controllato all’interno di un organismo vivente sarebbe affascinante.”
