Riquadro: immagine al microscopio elettronico a scansione della superficie porosa del cerotto. Le capacità avanzate del substrato consentono anche di serigrafare i sensori multifunzionali integrati direttamente sulla superficie del substrato.
Credito: Istituto Terasaki per l’innovazione biomedica
Gli scienziati del Terasaki Institute for Biomedical Innovation (TIBI) hanno ideato un cerotto elettronico (E-skin) unico nel suo genere per il monitoraggio avanzato dell’assistenza sanitaria. Con una scelta ottimale di materiali unita a un nuovo metodo di fabbricazione, il loro esclusivo cerotto E-skin fornisce il monitoraggio simultaneo e continuo di più parametri corporei, fornendo al contempo gestione della temperatura-umidità e traspirabilità.
I cerotti elettronici per la pelle sono in uso da tempo per monitorare gli indicatori fisici fisiologici e chimici della salute. Questi monitor, posizionati direttamente sulla pelle, possono misurare parametri come i movimenti e la temperatura del corpo, l’idratazione della pelle, vari biomarcatori metabolici e la funzionalità del cervello e del cuore (tramite elettrocardiogrammi ed elettroencefalogrammi).
Un tipico cerotto sensibile alla pelle è costituito da uno strato sensore, che converte le informazioni fisiche in segnali elettrici , posizionato sopra uno strato di substrato flessibile ed estensibile che viene posizionato sulla pelle del soggetto ed è resistente alla deformazione meccanica.
Molti degli attuali substrati, tuttavia, presentano incompatibilità meccaniche e biologiche, nonché scarsa traspirabilità, che ostacolano la capacità multisensoriale e possono provocare irritazione e infiammazione della pelle, soprattutto con l’uso a lungo termine . Inoltre, la maggior parte degli attuali substrati non può essere riciclata o smaltita in modo ecologico.
I ricercatori TIBI hanno affrontato questi problemi sviluppando un nuovo substrato altamente poroso a base di gelatina. Scegliendo di utilizzare la gelatina metacriloile (GelMA) per fabbricare il loro substrato, sono stati in grado di soddisfare le esigenze di biocompatibilità, biodegradazione, autoadesione e proprietà meccaniche simili ai tessuti. La necessità di traspirabilità e controllo dell’umidità, tuttavia, rappresentava una sfida.
Sebbene la permeabilità possa essere ottenuta in GelMA trasformandola in una forma di aerogel poroso, l’aerogel risultante è fragile, rendendolo inadatto per substrati sensibili alla pelle. I ricercatori TIBI hanno affrontato questo problema studiando attentamente gli effetti del criocongelamento sulla flessibilità del GelMA e utilizzando queste informazioni per sviluppare un nuovo metodo per superare la fragilità degli aerogel GelMA.
Il metodo ha consentito la creazione di un aerogel GelMA flessibile, traspirante, ultraleggero e permeabile all’umidità/aria, grazie ai suoi pori altamente uniformi e interconnessi e al loro potenziale di azione capillare tridimensionale.
Le capacità avanzate del substrato hanno anche permesso di serigrafare i sensori multifunzionali integrati sul substrato, che potrebbero quindi essere posizionati sulla pelle per stimolare contemporaneamente l’escrezione del sudore e l’estrazione del fluido interstiziale appena sotto la superficie della pelle. Ciò consente il monitoraggio continuo e multifunzionale di parametri corporei come temperatura cutanea e livelli di idratazione, misurazioni elettrocardiache e marcatori metabolici come glucosio, alcol e acido lattico.
Queste funzioni sono state convalidate utilizzando il nuovo cerotto E-skin in una serie di test che misurano gli effetti delle diete contenenti glucosio e alcol su soggetti che svolgono un intenso esercizio fisico. Quando si confrontano i risultati con vari dispositivi di misurazione commerciali individuali, c’è stata una buona correlazione.
Ulteriori test hanno convalidato la flessibilità superiore, le capacità di raffreddamento termico e l’assorbimento di fluidi del nuovo E-skin rispetto ai fragili substrati aerogel convenzionali, dimostrando al contempo un’eccellente biocompatibilità e biodegradazione senza alcuna irritazione cutanea. Inoltre, l’E-skin è biodegradabile, il che elimina la necessità di uno smaltimento dei rifiuti dannoso per l’ambiente.
Un dispositivo multisensoriale così innovativo fornirebbe un profilo fisiologico del paziente più accurato e in tempo reale. Ciò è particolarmente vantaggioso per i pazienti con diverse condizioni di salute correlate, come quelli con diabete insulino-dipendente; questi pazienti sono soggetti a gravi effetti da glucosio e alcol e devono monitorare attentamente il loro consumo.
L’utilizzo di questa E-skin può essere ampliato in altri modi, ad esempio integrando ulteriori misurazioni fisiologiche simultanee, accoppiandosi con sistemi di somministrazione di farmaci per indicazioni terapeutiche e incorporando un sistema wireless per un comodo utilizzo da parte dei pazienti.
“I progressi qui descritti aprono la strada alla produzione di dispositivi elettronici per la pelle di prossima generazione “, ha affermato Ali Khademhosseini, Ph.D., Direttore e CEO di TIBI. “Saranno strumenti preziosi nella gestione dell’assistenza sanitaria, offrendo il meglio in termini di monitoraggio accurato e in tempo reale per situazioni di vita reale”.
La ricerca è pubblicata sulla rivista Advanced Materials .