Biosonde col Kirigami: così “avvolgeremo” un cuore che batte

SCOPERTE – Prendete un sottile film di un materiale rigido, come un foglio di carta, e tagliatelo seguendo la tecnica orientale del Kirigami. Quello che otterrete è un materiale altamente deformabile, nonostante la sua rigidità, ed elastico. Se invece di un foglio di carta, si sceglie un sottile film di parylene, un materiale derivato dal benzene, quello che otterrete applicando la tecnica del Kirigami è una biosonda altamente flessibile e deformabile in grado di “seguire” la forma di campioni biologici sferici anche molto estesi, come ad esempio un cuore che batte o il tessuto cerebrale.

Questo il risultato raggiunto dai ricercatori del dipartimento di Ingegneria elettronica e dell’Electronics-Inspired Interdisciplinary Research Institute (EIIRIS) della Toyohashi University of Technology, in Giappone, guidati da Takeshi Kawano e che sono stati pubblicati sulla rivista Advanced Healthcare Material.

I ricercatori hanno progettato un dispositivo elettronico basato sulla tecnica giapponese del Kirigami che permette di ottenere, attraverso il taglio e la piegatura della carta, delle forme geometriche tridimensionali. Al posto della carta, hanno utilizzato un film composto di parylene biocompatibile, per il substrato del dispositivo, e uno strato metallico di platino/titanio per i microelettrodi. Il risultato è stato una biosonda con un basso sforzo a deformazione, che dunque riduce la forza indotta sugli organi durante la loro modificazione di superficie o volume, e permette di registrare segnali biologici in modo minimamente invasivo.

Fino ad oggi questo tipo di dispositivi erano stati realizzati con materiali elastomeri, che richiedono un elevato sforzo a deformazione per essere allungati, caratteristica che deriva dalla proprietà intrinseca del materiale utilizzato, e che comportano un impedimento alla naturale deformazione o crescita del tessuto o dell’organo oggetto delle misurazioni. Per sviluppare dispositivi che siano adatti al monitoraggio di campioni biologici molli, che sono soggetti ad estese e repentine deformazioni come ad esempio un cuore che batte, è importante ottenere dei dispositivi elastici con uno sforzo a deformazione caratteristico ridotto, così da renderli minimamente invasivi.

Proprio le elevate elasticità e deformabilità ottenute col Kirigami da materiali con basso sforzo a deformazione rappresentano dunque le proprietà più promettenti per sviluppare un nuova tipologia di biosonde e sensori che siano in grado di monitorare i segnali biologici senza alterarli. Confrontando dunque gli elastomeri, che hanno un modulo di elasticità dell’ordine di grandezza del megaPascal, con il materiale utilizzato dai ricercatori giapponesi, il cui modulo di elasticità è dell’ordine del kiloPascal, è stato possibile ottenere delle biosonde con uno sforzo a deformazione di 3 ordini di grandezza inferiore con conseguente minor impatto sulla naturale deformazione del tessuto. Morikawa, ricercatore della Toyohashi University of Technology, ha spiegato:

“La straordinaria caratteristica del Kirigami è che i materiali rigidi e anelastici vengono resi più elastici a confronto con gli attuali dispositivi basati sugli elastomeri, che sono materiali elastici. Questo deriva dal meccanismo di allungamento, che nel nostro caso è basato sulla piegatura di un film sottile fuori dal suo piano piuttosto che sullo stiramento del materiale elastico. Pertanto lo sforzo a deformazione risulta estremamente più basso se comparato agli altri dispositivi estensibili”.

A far scattare l’idea nella testa di Kawano, professore associato dell’università giapponese e autore dello studio, è stato il figlio, come lui stesso ha spiegato:

“L’idea è germogliata nella mia testa una mattina quando mi sono alzato e ho visto mio figlio giocare e realizzare un foglio di carta con un’alta elasticità con la tecnica del Kirigami. Questo mi ha fatto domandare se fosse possibile sviluppare una elettronica elastica utilizzando proprio il concetto alla base di questa tecnica. Sorprendentemente, i nostri studi preliminari basati su film di parylene con sistemi di tecnologia microelettromeccanica mostrano un’alta elasticità dell’1,100%. Inoltre, siamo estremamente entusiasti che le biosonde fabbricate con il Kirigami possiedano i vantaggi di alta elasticità e deformabilità, ma allo stesso tempo siano in grado di registrare segnali biologici dalla superficie corticale e dal cuore che batte di un topo”.

Il risultato del team di ricerca giapponese è solo un primo passo verso lo sviluppo di un nuovo tipo di biosonde in grado di esplorare i cambiamenti di tessuti molli e organi, deformazioni di superficie e volume che avvengono nel tempo e che possono dipendere dai naturali meccanismi di crescita o indotte da una patologia. Una nuova tecnologia che permetterebbe alla medicina moderna di ottenere misurazioni accurate e minimamente invasive che potrebbero rivelarsi determinanti per la comprensione ad esempio dei meccanismi di crescita nel corpo umano o nelle modificazioni indotte nel cervello da malattie come l’Alzheimer.

@oscillazioni

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