Grazie alla miniaturizzazione la fantascienza diventa realtà. Le ultime meraviglie della nanotecnologia applicata alla salute permettono di realizzare dispositivi più piccoli, flessibili, modulari, autonomi, capaci di scandagliare il corpo in modo diretto e non traumatico. Microchirurgia, pace-maker e defibrillatori impiantabili, Ecg, micropompe di infusione, protesi acustiche e oculari, terminazioni nervose, sono alcune delle applicazioni rese possibili dalle tecnologie e dai processi di produzione microelettronici e che rendono sempre più stretto il connubio tra salute e semiconduttori. Ma è soprattutto nella diagnostica che le opportunità della miniaturizzazione si stanno manifestando in modo più innovativo.
Una telecamera da mangiare
E se i medici avessero la possibilità di vedere di persona "dentro" il paziente? Ebbene, oggi è possibile semplicemente ingoiando una pillola telecamera di piccole dimensioni. La capsula endoscopica PillCam dell'israeliana Given Imaging che attraverso una piccola telecamera usa e getta permette al medico di visualizzare cosa succede nell'intestino, nell'esofago o nel colon, senza sedazione e senza procedure invasive. La PillCam è disponibile secondo vari modelli, in funzione tipo di endoscopia da effettuare. La versione SB, per esempio, permette di visualizzare direttamente l'intestino tenue e valutare la presenza di anomalie quali lesioni, ulcere, tumori o emorragie. La versione più recente - la SB 3 - dispone di un'ottica in grado di riprendere buone immagini della mucosa, garantendo una maggiore affidabilità diagnostica. Il campo visivo acquisito è intorno ai 160° a una distanza di 4,5 mm; un sistema di controllo automatico provvede a regolare l'illuminazione in base alle condizioni e alla posizione dell'unità mentre il frame rate adattivo permette al sistema di rilevare il movimento della capsula aumentando automaticamente la velocità di acquisizione dell'immagine tra 2 e 6 fotogrammi al secondo. Un'altra versione è la PillCam Colon, capsula endoscopica capace di catturare fino a 30.000 immagini (da 4 a 35 al secondo) con un campo di ripresa prossimo ai 360°. Una volta ingoiata, la capsula inizia a trasmettere i dati a un registratore indossato dal paziente. Alla fine della procedura i dati vengono scaricati dal registratore nel Pc del medico. PillCam SB 3 e PillCam Colon fanno parte di una piattaforma comprendente il software di analisi Rapid, un registratore e una cintura di rilevamento. Sempre in tema di capsule elettroniche è da segnalare quella sviluppata nell'ambito di Vector (Versatile endoscopic capsule for gastrointestinal tumor recognition and therapy), programma finanziato dall'Unione Europea che persegue (meglio, perseguiva) l'obiettivo di realizzare pillole e applicazioni intelligenti per la diagnosi e la terapia gastrointestinale. Questa volta si tratterebbe (il condizionale è d'obbligo visto che le ultime notizie risalgono al 2011) di una capsula robotica multifunzionale - sviluppata dal laboratorio Crim (Center for Research In Microengineering) della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa. A differenza della capsula PillCam, la Vector è dotata di locomozione propria e permette di diagnosticare precocemente le patologie gastrointestinali. Nei programmi del progetto Vector lo step successivo era di creare capsule dotate di strumenti capaci di effettuare biopsie o di intervenire con terapie localizzate.
Nanotecnologie e miniaturizzazione
L'elettronica - precisamente i processi e le nanotecnologie utilizzate in elettronica - è indiscussa protagonista delle nuove frontiere della medicina. Un esempio è il CTC-chip, un dispositivo in grado di isolare le celle tumorali nei campioni di sangue con un metodo non invasivo. Nelle prime fasi di sviluppo del tumore queste cellule sono molto rare e il loro rilevamento presenta delle notevoli sfide. I bioingegneri del Massachusetts General Hospital hanno sviluppato una tecnologia 100 volte più sensibile rispetto alle soluzioni esistenti. La soluzione è basata su una camera in silicio contenente migliaia di colonne microscopiche attraverso cui viene fatta scorrere una quantità minima di sangue. In particolare il CTC-Chip ha le dimensioni di una carta di credito e contiene circa 80.000 micro colonne rivestite di anticorpi che attraggono le cellule tumorali. Una volta catturate, queste cellule tumorali straordinariamente rare possono essere analizzate per rivelare informazioni critiche circa la diffusione delle metastasi e la potenziale efficacia dei diversi trattamenti. Questo approccio mira a rivoluzionare il modo in cui gli oncologi rilevano, controllano e trattano il cancro. Sempre in termini di miniaturizzazione, il Fraunhofer Institute ha sviluppato un sensore per il rilevamento della pressione sanguigna del diametro di circa 1 millimetro da inserire nell’arteria femorale. Il sensore è completamente autonomo e rileva e trasmette via radio il dato relativo alla pressione. Le attività di ricerca dell'istituto tedesco nel campo dell'elettronica applicata alla medicina sono molto ampie. Uno dei ritrovati più recenti è un sistema di misurazione non invasiva della glicemia basato su un biosensore, cioè un piccolo chip che combina funzioni di misura, analisi digitale trasmissione wireless a un dispositivo mobile. L'unità permette di evitare al diabetico di pungersi il dito ogni giorno per prelevare il campione di sangue necessari all'analisi, uno dei fastidi maggiori della vita quotidiana di molti pazienti affetti da questa patologia. Il biosensore si posiziona sul corpo del paziente e permette di misurare i livelli di glucosio utilizzando fluidi tissutali diversi dal sangue, come sudore o lacrime. Il principio di misurazione comporta una reazione elettrochimica che si attiva con l'ausilio di un enzima. L'ossidasi converte il glucosio in perossido di idrogeno (H2O2) e altre sostanze chimiche la cui concentrazione può essere misurata con un potenziostato. Il chip, che misura solo 0,5 x 2,0 mm, supporta molto di più del semplice nanopotenziostato. Infatti, i ricercatori hanno integrato un convertitore digitale-analogico e l'intero sistema diagnostico. I possibili sviluppi contemplano l'integrazione di una funzione di pilotaggio per una micro pompa di insulina impiantata direttamente nel corpo del paziente.
Il naso elettronico
Ovunque sia presente un odore o una sostanza chimica volatile anche non odorosa, il naso elettronico può avere un ruolo determinante per la loro rivelazione e classificazione medica. Il "fiuto clinico" di questi apparecchi potrebbe in futuro rappresentare un efficace complemento, se non addirittura un'alternativa, al tradizionale occhio clinico del medico. Del resto è noto come in passato i diagnostici si affidavano anche al senso dell’olfatto per individuare determinate affezioni. Per esempio, i composti organici volatili del respiro possono evidenziare un'infezione da streptococchi o livelli eccessivi di acetone, l'odore delle urine il diabete, la traspirazione della pelle i tumori e così via. Nell'ambito del settimo programma quadro di ricerca dell'Unione Europea, è in fase di sviluppo il progetto Bond (Bioelectronic olfactory neuron device), dal quale dovrebbe scaturire un vero e proprio naso bioelettronico che imita l'olfatto degli animali. Il progetto mira a fare convergere varie tecnologie per dare vita a una nanopiattaforma analitica bioelettronica integrata per il rilevamento degli odori. Il progetto multidisciplinare (cui partecipa anche il Politecnico di Milano) sfrutta dei ricettori olfattivi (OR) basati sulle proteine presenti nella membrana plasmatica dei neuroni olfattivi. I vari recettori selettivi lavorano simultaneamente e in modo complementare, trasferendo le informazioni a un'elettronica di gestione sottostante. Attualmente il progetto è in fase di fase di integrazione e presto potrebbe portare a interessanti risultati.
Materiali diversi
Tra i nuovi approcci diagnostici e curativi si annovera l'opportunità di sfruttare l'epidermide o le superfici degli organi del paziente. Portabandiera questi metodi alternativi è l'istituto di ricerca Rogers Research Group. Rogers Research sfrutta le interessanti caratteristiche dei materiali “soft”, come polimeri, cristalli liquidi, tessuti biologici e combinazioni ibride, dando vita a insoliti micro/nanomateriali in forma di nastri, fili, membrane, tubi eccetera. Tali strutture sono ricavate con tecniche di "litografia morbida" nonché di profilazione e crescita "biomimetica" che permettono di deporre sui substrati tridimensionalmente flessibili dei circuiti elettronici anche complessi. L'obiettivo è di controllare e indurre delle risposte elettriche e fotoniche ricavate direttamente dal soggetto cui vengono applicate queste membrane intelligenti. La ricerca verte principalmente sui materiali morbidi per elettronica conformazionale, strutture nanofotoniche, dispositivi microfluidici e sistemi microelettromeccanici, tutti ispirati alle applicazioni "bio". Uno dei traguardi più significativi è la stampa diretta dei sistemi elettronici sulla pelle (e-tatoo), una soluzione che apre la strada a uno spettro impensabile di applicazioni, non solo in campo medico. Un recente sviluppo di questa ultra indossabilità riguarda un circuito bioassorbibile composto da gate Cmos depositati su un substrato in seta cristallizzata. La ricerca dell'istituto ha portato anche all'assemblaggio di veri e propri microchip composti da sensori, controllori e trasmettitori radio su strutture microfuidiche morbide ed elastiche, connesse tra loro attraverso sottili reti di cablaggio di tipo "origami", quindi deformabili. I circuiti sono in grado di rilevare sia reazioni biochimiche sia deformazioni strutturali. Il tutto permette di dare vita a sistemi wireless estensibili, che possono integrarsi delicatamente ma con fermezza con la superficie della pelle o di qualsiasi altro organo, per il monitoraggio multifunzionale dello stato fisiologico. La possibilità di tatuare l'elettronica sulla pelle o su qualsiasi altro organo offre un range sconfinato di applicazioni. Elettronica indossabile, impianti biomedici, monitor ambientali e molti altri tipi di dispositivi potrebbero beneficiare di approcci di alimentazione che non necessitano di batterie. I mezzi per la raccolta della potenza direttamente dall'ambiente o da processi naturali del corpo garantiscono possibilità interessanti. Per esempio, grazie a un dispositivo sottile e flessibile è possibile raccogliere e immagazzinare energia ricavata dai movimenti meccanici di cuore, polmoni o diaframma, con livelli capaci di soddisfare i requisiti per pacemaker e altri dispositivi impiantabili esistenti.
Profilando delle membrane 3D elastiche e ultrasottili secondo la forma del miocardio è possibile fruire di una piattaforma su cui depositare array di sensori multifunzionali e di componenti elettronici o optoelettronici. Grazie a questa tecnica è stato sviluppato un dispositivo tegumentario che avvolge completamente il cuore e che offre un’interfaccia biotica/abiotica meccanicamente stabile durante i normali cicli cardiaci per effettuare operazioni di rilevamento o di stimolo. Nanomembrane in seta, magnesio, ossido di magnesio, biossido di silicio e di silicio forniscono un insieme di materiali ideali per circuiti integrati ad alte prestazioni, attuatori, sensori e sistemi di alimentazione che si dissolvono, completamente e con velocità controllata, in acqua o biofluidi. Le potenziali applicazioni di questa tecnologia elettronica "transitoria" vanno dagli impianti medici riassorbibili ai monitor ambientale degradabili fino ai dispositivi di consumo compostabili. Nel campo medico è stato realizzato un circuito elettronico flessibile e impermeabile che può avvolgere la superficie del cuore, per produrre "mappe" alta risoluzione del comportamento elettrico del muscolo durante il battito. I dati possono aiutare i chirurghi individuare tessuti aberranti che sono responsabili di alcuni tipi di aritmie. Materiali, forme geometriche e layout di integrazione appositamente progettati consentono di realizzare sistemi elettronici con proprietà fisiche abbinabili all'epidermide, adatti per dare vita a una nuova classe di dispositivi applicabili sulla pelle per applicazioni di monitoraggio dello stato fisiologico, per il trattamento dei traumi, per l'interfacciamento uomo/macchina e così via. Si tratta di traguardi difficilmente immaginabili fino a 10 anni fa e che sicuramente sono stati resi possibili solo grazie all'evoluzione dei processi nanometrici e dei materiali sperimentati nella produzione microelettronica. Addio bisturi: grazie alla miniaturizzazione la fantascienza diventa realtà.
