CREDITO: Fussenegger Lab / ETH Zurigo
Cella a combustibile impiantabile che genera elettricità dall’eccesso di glucosio nel sangue
Nel diabete di tipo 1, il corpo non produce insulina. Ciò significa che i pazienti devono ottenere l’ormone esternamente per regolare i loro livelli di zucchero nel sangue. Al giorno d’oggi, questo viene fatto principalmente tramite pompe per insulina che sono attaccate direttamente al corpo. Questi dispositivi, così come altre applicazioni mediche come i pacemaker, richiedono un approvvigionamento energetico affidabile, che attualmente è soddisfatto principalmente dall’alimentazione da batterie monouso o ricaricabili.
Ora, un team di ricercatori guidato da Martin Fussenegger del Dipartimento di scienza e ingegneria dei biosistemi dell’ETH di Zurigo a Basilea ha messo in pratica un’idea apparentemente futuristica. Hanno sviluppato una cella a combustibile impiantabile che utilizza l’eccesso di zucchero nel sangue (glucosio) dai tessuti per generare energia elettrica. I ricercatori hanno combinato la cella a combustibile con celle beta artificiali sviluppate dal loro gruppo diversi anni fa. Questi producono insulina con il semplice tocco di un pulsante e abbassano efficacemente i livelli di glucosio nel sangue proprio come i loro modelli di ruolo naturali nel pancreas.
“Molte persone, specialmente nelle nazioni industrializzate occidentali, consumano più carboidrati di quelli di cui hanno bisogno nella vita di tutti i giorni”, spiega Fussenegger. Questo, aggiunge, porta all’obesità, al diabete e alle malattie cardiovascolari. “Questo ci ha dato l’idea di utilizzare questa energia metabolica in eccesso per produrre elettricità per alimentare dispositivi biomedici”, afferma.
Cella a combustibile in formato bustina di tè
Al centro della cella a combustibile c’è un anodo (elettrodo) fatto di nanoparticelle a base di rame, che il team di Fussenegger ha creato appositamente per questa applicazione. È costituito da nanoparticelle a base di rame e scinde il glucosio in acido gluconico e un protone per generare elettricità, che mette in moto un circuito elettrico.
Avvolta in un tessuto non tessuto e rivestita di alginato, un prodotto a base di alghe approvato per uso medico, la cella a combustibile assomiglia a una piccola bustina di tè che può essere impiantata sotto la pelle. L’alginato assorbe il fluido corporeo e consente al glucosio di passare dal tessuto alla cella a combustibile all’interno.
Una rete per il diabete con un proprio alimentatore
In una seconda fase, i ricercatori hanno accoppiato la cella a combustibile con una capsula contenente cellule beta artificiali. Questi possono essere stimolati a produrre e secernere insulina utilizzando corrente elettrica o luce LED blu. Fussenegger ei suoi colleghi hanno già testato tali celle di design qualche tempo fa (vedi ETH News , 8 dicembre 2016).
Il sistema combina la generazione di energia sostenuta e la somministrazione controllata di insulina. Non appena la cella a combustibile registra un eccesso di glucosio, inizia a generare energia. Questa energia elettrica viene quindi utilizzata per stimolare le cellule a produrre e rilasciare insulina nel sangue. Di conseguenza, la glicemia scende a un livello normale. Una volta sceso al di sotto di un certo valore di soglia, la produzione di elettricità e insulina si interrompe.
L’energia elettrica fornita dalla cella a combustibile è sufficiente non solo per stimolare le celle di progettazione, ma anche per consentire al sistema impiantato di comunicare con dispositivi esterni come uno smartphone. Ciò consente ai potenziali utenti di regolare il sistema tramite un’app corrispondente. Un medico potrebbe anche accedervi da remoto e apportare modifiche. “Il nuovo sistema regola autonomamente i livelli di insulina e di glucosio nel sangue e potrebbe essere utilizzato per trattare il diabete in futuro”, afferma Fussenegger.
Una strada lunga e incerta verso la maturità del mercato
Il sistema esistente è solo un prototipo. Sebbene i ricercatori lo abbiano testato con successo sui topi, non sono in grado di svilupparlo in un prodotto commerciabile. “Portare un tale dispositivo sul mercato va ben oltre le nostre risorse finanziarie e umane”, afferma Fussenegger. Ciò richiederebbe un partner industriale con le risorse e il know-how adeguati.
Riferimenti
Maity, D., Ray, PG, Buchmann, P., Mansouri, M. e Fussenegger, M. (2023), Cella a combustibile metabolica alimentata dal glucosio nel sangue per la bioelettronica autosufficiente. Avv. Madre. Autore accettato Manoscritto 2300890. https://doi.org/10.1002/adma.202300890
Pubblicato il 28 marzo su Advanced Materials