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Comunicazioni wireless, ad alta velocità e a bassa potenza per dispositivi impiantabili

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La nuova tecnica utilizza gli ioni naturali del corpo per aiutare a trasmettere i dati

Comunicazioni wireless, ad alta velocità ea bassa potenza per dispositivi impiantabili

La nuova tecnica utilizza gli ioni naturali del corpo per aiutare a trasmettere i dati 

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La bioelettronica impiantabile è ora spesso fondamentale per assistere o monitorare il cuore, il cervello e altri organi vitali, ma spesso non dispone di un modo sicuro e affidabile per trasmettere i propri dati ai medici. Ora i ricercatori della Columbia Engineering hanno inventato un modo per aumentare la bioelettronica impiantabile con collegamenti dati wireless semplici, ad alta velocità ea bassa potenza utilizzando ioni, atomi con carica positiva o negativa che sono naturalmente disponibili nel corpo.

La bioelettronica impiantabile gioca sempre più ruoli chiave nell’assistenza sanitaria. Ad esempio, i pacemaker possono aiutare a garantire che il cuore di un paziente mantenga un battito sano e i dispositivi di interfaccia neurale possono assistere i pazienti con epilessia e altri disturbi stimolando specifiche regioni del cervello per ridurre i loro sintomi neurologici o persino collegare il cervello di un paziente paralizzato con arti robotici. Tuttavia, una delle principali sfide che la bioelettronica impiantata deve affrontare è come comunicare i propri dati attraverso il corpo a dispositivi esterni per ulteriori analisi e diagnostiche da parte di medici e scienziati.

“Dall’attività cerebrale o muscolare alle concentrazioni ormonali, questi dati devono essere trasmessi in modo che possano essere sottoposti a elaborazione avanzata e revisione da parte di esperti prima che avvenga il processo decisionale medico”, ha affermato Dion Khodagholy , coautore dello studio, professore associato di ingegneria elettrica alla Columbia University. 

“Questo è particolarmente importante per le condizioni in cui possono esserci fluttuazioni sostanziali nel tempo, come nell’epilessia o nei disturbi del movimento”, ha aggiunto la co-autrice senior dello studio Jennifer Gelinas , assistente professore di neurologia presso l’Irving Medical Center della Columbia University. “Un esempio di questo è il dispositivo NeuroPace per l’epilessia: i dati da esso devono essere scaricati affinché il medico possa adattare i suoi protocolli di stimolazione per trattare meglio le convulsioni”. 

Sebbene i cavi offrano un modo semplice per trasmettere rapidamente i dati dagli impianti alle macchine esterne, il modo in cui penetrano nei tessuti ne limita l’uso a lungo termine. Allo stesso tempo, gli approcci wireless convenzionali che utilizzano onde radio o luce visibile spesso non riescono a penetrare nei tessuti biologici.

“Mancano ancora comunicazioni wireless sicure, efficaci e a lungo termine con i dispositivi impiantati”, ha affermato Khodagholy. 

Fare uso degli ioni del corpo

Una strategia intrigante che la bioelettronica potrebbe utilizzare per le comunicazioni è quella che il corpo usa spesso: gli ioni. All’interno del corpo, le cellule rimescolano regolarmente gli ioni per comunicare tra loro.

Ora Khodagholy ei suoi colleghi hanno sviluppato un modo per utilizzare gli ioni del corpo per trasmettere dati a velocità di megahertz, ovvero milioni di bit al secondo. Il loro studio, “Comunicazione ionica per la bioelettronica impiantabile”, appare il 6 aprile sulla rivista Science Advances .

Il modo in cui i tessuti viventi sono ricchi di ioni significa che immagazzinano energia potenziale elettrica, proprio come fanno le batterie elettriche. La nuova tecnica, denominata comunicazione ionica, sfrutta questo fatto per aiutare la bioelettronica impiantata a scambiare dati con dispositivi esterni.

La comunicazione ionica coinvolge una coppia di elettrodi impiantati all’interno di un tessuto e un’altra coppia di elettrodi appoggiati sulla superficie di quel tessuto. Il dispositivo impiantato codifica i dati in impulsi elettrici alternati che immagazzinano energia all’interno del tessuto. A sua volta, il ricevitore di superficie può rilevare questa energia e decodificarla.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno descritto in dettaglio quali proprietà geometriche governano le profondità a cui la comunicazione ionica potrebbe raggiungere all’interno del corpo, nonché le strategie per stabilire più linee parallele di comunicazione tra gli elettrodi. Hanno scoperto che la comunicazione ionica era in grado di trasmettere dati a distanze che potrebbero aiutarla a colpire una varietà di tipi di tessuti, dalla pelle umana agli organi viscerali.

“La comunicazione ionica è una forma biologica di comunicazione di dati che stabilisce interazioni a lungo termine e ad alta fedeltà attraverso il tessuto intatto”, ha affermato Khodagholy.

Dalla teoria al prototipo

Negli esperimenti, gli scienziati hanno creato un’interfaccia neurale completamente impiantabile utilizzando la comunicazione ionica per i ratti. Hanno dimostrato che potrebbe acquisire e trasmettere in modo non invasivo dati cerebrali da roditori che si muovono liberamente nell’arco di settimane con una stabilità sufficiente per isolare i segnali dai singoli neuroni. 

Utilizzando 10 linee di comunicazione con l’elettronica commerciale attualmente disponibile, gli scienziati hanno raggiunto velocità di comunicazione di 60 megahertz. Hanno stimato che una singola linea di comunicazione ionica potrebbe potenzialmente raggiungere velocità di comunicazione fino a 14 megahertz. 

Gli scienziati osservano che la comunicazione ionica richiedeva basse tensioni e una potenza sostanzialmente inferiore rispetto alle comunicazioni radio o ad ultrasuoni. I loro esperimenti hanno anche rivelato che il loro dispositivo di comunicazione ionica si è dimostrato da migliaia a milioni di volte più efficiente dal punto di vista energetico nella comunicazione dei dati rispetto ad altri approcci utilizzati con la bioelettronica impiantabile.

I dispositivi di comunicazione ionica possono essere realizzati con materiali morbidi, flessibili, disponibili in commercio, biocompatibili, cioè non dannosi per i tessuti viventi, e persino biodegradabili, suggerendo che potrebbero trovare facilmente impiego in pratici dispositivi impiantabili che possono dissolversi una volta che non sono più necessario. Khodagholy e i suoi colleghi ora mirano a combinare la comunicazione ionica con i transistor organici in un biosensore impiantabile.

Una trama unita 

Quest’ultimo lavoro continua la ricerca generale di Khodagholy che cerca di collegare i dispositivi bioelettronici con il cervello umano. Ad esempio, lui ei suoi colleghi hanno recentemente sviluppato un materiale che aiuta i segnali ionici a condurre solo in direzioni specifiche scelte. Questo può aiutare gli scienziati a sviluppare circuiti che utilizzino ioni invece di elettroni per interfacciarsi meglio con il corpo. Tali circuiti normalmente non funzionerebbero se gli ioni potessero viaggiare in tutte le direzioni e causare interferenze indesiderate tra le diverse parti di ciascun circuito. Il nuovo “conduttore ionico anisotropico” è un materiale composito morbido e biocompatibile, suggerendo che potrebbe rivelarsi utile nella bioelettronica impiantabile e i processi per sintetizzarlo sono semplici e scalabili. Il loro studio, “Anisotropic Ion Conducting Particulate Composites for Bioelectronics”, è apparso il 27 gennaio sulla rivista Advanced Science .

“Il nuovo materiale che abbiamo sviluppato ha proprietà uniche che consentono l’implementazione di dispositivi bioelettronici organici su larga scala, che possono migliorare la loro traduzione in applicazioni per la salute umana”, ha affermato Khodagholy. “Successivamente, miriamo a progettare circuiti integrati compatti e complessi basati su conduttori di ioni anisotropici composti da molti transistor organici per applicazioni di bioelettronica”.

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