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Scienziati creativi

Gli scienziati creano sensori simili a tatuaggi che rivelano i livelli di ossigeno nel sangue

Le persone si tatuano per ricordare un evento o una persona, per fare una dichiarazione o semplicemente come abbellimento estetico. Ma immagina un tatuaggio che potrebbe essere funzionale: dirti quanto ossigeno stai utilizzando durante l’esercizio, misurare il livello di glucosio nel sangue in qualsiasi momento della giornata o monitorare un numero di diversi componenti del sangue o l’esposizione alle tossine ambientali.

Ora gli ingegneri della Tufts University hanno compiuto un passo importante per realizzarlo con l’invenzione di un materiale a base di seta posizionato sotto la pelle che si illumina di più o si attenua sotto una lampada quando esposto a diversi livelli di ossigeno nel sangue . Hanno riportato le loro scoperte in Advanced Functional Materials .

Il nuovo sensore, che attualmente si limita alla lettura dei livelli di ossigeno, è costituito da un gel formato dai componenti proteici della seta, chiamato fibroina. Le proteine ??della fibroina della seta hanno proprietà uniche che le rendono particolarmente compatibili come materiale impiantabile.

Quando vengono riassemblati in un gel o una pellicola, possono essere regolati per creare una struttura che duri sotto la pelle da poche settimane a oltre un anno. Quando la seta si rompe, è compatibile con il corpo ed è improbabile che invochi una risposta immunitaria.

Sostanze nel sangue come glucosio, lattato, elettroliti e ossigeno disciolto offrono una finestra sulla salute e sulle prestazioni del corpo. Negli ambienti sanitari, vengono tracciati prelevando sangue o attaccati a macchine ingombranti. Essere in grado di monitorare continuamente i loro livelli in modo non invasivo in qualsiasi ambiente potrebbe essere un enorme vantaggio durante il monitoraggio di determinate condizioni.

I diabetici, ad esempio, devono prelevare sangue per leggere il glucosio, spesso su base giornaliera, per decidere cosa mangiare o quando assumere i farmaci. Al contrario, la visione tracciata dal team di Tufts è quella di rendere il monitoraggio molto più semplice, facendo letteralmente luce sulle condizioni di una persona.

“La seta fornisce una straordinaria confluenza di molte grandi proprietà”, ha affermato David Kaplan, professore di ingegneria della famiglia Stern presso la Tufts University School of Engineering e ricercatore capo dello studio. “Possiamo trasformarlo in film, spugne, gel e altro. Non solo è biocompatibile, ma può contenere additivi senza modificarne la chimica e questi additivi possono avere capacità di rilevamento che rilevano le molecole nel loro ambiente. Il sensore di ossigeno ne è una prova di concetto per una gamma di sensori che potremmo creare.”

La chimica delle proteine ??della seta rende più facile per loro raccogliere e trattenere gli additivi senza modificarne le proprietà. Per creare il sensore di ossigeno , i ricercatori hanno utilizzato un additivo chiamato PdBMAP, che si illumina se esposto alla luce di una certa lunghezza d’onda. Quel bagliore ha un’intensità e una durata proporzionali al livello di ossigeno nell’ambiente.

Il gel di seta è permeabile ai fluidi che lo circondano, quindi il PdBMAP rileva gli stessi livelli di ossigeno nel sangue circostante. PdBMAP è utile anche perché si illumina, o fosforesce, se esposto alla luce che può penetrare nella pelle. Altri sensori candidati possono rispondere solo a lunghezze d’onda della luce che non possono penetrare nella pelle.

I ricercatori si affidano maggiormente alla componente di durata della fosforescenza per quantificare i livelli di ossigeno perché l’intensità del bagliore può variare con la profondità e le dimensioni dell’impianto, il colore della pelle e altri fattori. La durata del bagliore diminuisce all’aumentare dei livelli di ossigeno.

Negli esperimenti, il sensore impiantato ha rilevato i livelli di ossigeno nei modelli animali in tempo reale e ha monitorato accuratamente i livelli di ossigeno alti, bassi e normali. L’importanza di essere in grado di monitorare i livelli di ossigeno nei pazienti è cresciuta nella consapevolezza pubblica con la pandemia di COVID-19, in cui i pazienti dovevano essere ricoverati per cure ospedaliere quando i loro livelli di ossigeno erano diventati estremamente bassi.

“Possiamo immaginare molti scenari in cui un sensore simile a un tatuaggio sotto la pelle può essere utile”, ha affermato Tom Falcucci, uno studente laureato nel laboratorio di Kaplan che ha sviluppato il sensore del tatuaggio. “Di solito accade in situazioni in cui qualcuno con una condizione cronica deve essere monitorato per un lungo periodo di tempo al di fuori di un ambiente clinico tradizionale. Potremmo potenzialmente tracciare più componenti del sangue utilizzando un array di sensori sotto la pelle”.

I sensori simili a tatuaggi sono gli ultimi di un portafoglio in crescita di potenziali prodotti medici derivati ??dalle proteine ??della seta nel laboratorio di Kaplan, dagli impianti ortopedici alle impalcature per la creazione di nuovo tessuto nel cuore e nelle ossa.


Fonte: Thomas Falcucci et al, Degradable Silk?Based Subcutaneous Oxygen Sensors, Advanced Functional Materials (2022). DOI: 10.1002/adfm.202202020

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