Oggigiorno c'è un sacco di brusio nell'elettronica indossabile: Google, ad esempio, si sta espandendo nel settore degli occhiali, mentre altre aziende si stanno arrampicando per la loro quota di mercato con clip e orologi ad alta tecnologia che tracciano ciò che mangi e come ti muovi .
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Ma nessuno di loro è lontanamente simile a quello che John Rogers, vincitore del premio Smithsonian American Ingenuity 2013 nelle scienze fisiche, sta sviluppando. Il suo dispositivo, vedi, è progettato non solo per adattarsi come un guanto, ma forse un giorno salverà la vita di chi lo indossa.
Lo scienziato dei materiali, insieme al suo team di studenti dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, hanno testato con successo ciò che è meglio descritto come un calzino per il cuore. Il dispositivo, montato su tutta la superficie del cuore, è composto da una serie di sensori per monitorare, con incredibile precisione, i meccanismi interni di questo organo più vitale. Se rileva un'anomalia preoccupante, può trasmettere i dati ai professionisti medici; in caso di emergenza, ad esempio durante un infarto, potrebbe persino intervenire somministrando un impulso indotto dall'elettrodo.
Normalmente, il cuore pompa in un modo così efficiente che quasi non ci si accorge che funziona. Ma per quelli con condizioni del ritmo cardiaco, le contrazioni cardiache fuori sincrono possono essere debilitanti - causando vertigini, debolezza, vomito e dolore toracico, per quelli con aritmia - o, in alcuni casi, mortali. Nel tempo, le irregolarità ritmiche possono causare coaguli di sangue (che a volte portano a ictus) e, in casi estremi, arresto cardiaco.
I medici di solito possono prescrivere farmaci per correggere questo tipo di problemi. Ma in alcuni casi, i pazienti devono rivolgersi a interventi chirurgici come pacemaker o impianti di defibrillatore. E mentre quei dispositivi funzionano sufficientemente, il meccanismo che usano per regolare il battito cardiaco di una persona è in realtà piuttosto rozzo. Con gli impianti di defibrillatore, una coppia di elettrodi è posizionata all'interno della camera cardiaca. Ogni volta che viene rilevata un'aritmia pericolosa per la vita, il defibrillatore invia una scarica elettrica che stordisce il cuore in un ritmo normale. Il problema con questo approccio, afferma Rogers, è che l'attività di un'altra regione del cuore può, per errore, innescare una scossa dolorosa quando non ce n'è davvero bisogno.
Il dispositivo di Rogers racchiude il cuore in un sistema sensoriale molto più sofisticato in grado di individuare esattamente dove si verifica un'irregolarità ritmica. In un certo senso, funziona come le terminazioni nervose su una pelle secondaria.
"Quello che volevamo era sfruttare tutta la potenza della tecnologia dei circuiti", afferma Rogers del dispositivo, che è in produzione da due anni e mezzo. "Con molti elettrodi, il dispositivo può stimolare e stimolare in modo più mirato . Fornire calore o impulsi in posizioni specifiche e farlo in dosi misurabili che sono appena sufficienti, è importante perché applicare più del necessario non è solo doloroso ma può danneggiare il cuore. "
Questo diagramma dettagliato illustra come è stato creato il dispositivo cardiaco. (Università dell'Illinois e Washington University) Oltre al suo potenziale come impianto cardiaco di emergenza, l'elasticità del calzino cardiaco consente una serie di altri sensori elettronici e non elettronici in grado di monitorare i livelli di calcio, potassio e sodio, considerati indicatori chiave della salute del cuore. La membrana può anche essere programmata per tracciare i cambiamenti di pressione meccanica, temperatura e livelli di pH (acidità), tutti elementi che potrebbero aiutare a segnalare un imminente infarto.
Per fabbricare la guaina prototipo, i ricercatori hanno prima scansionato e stampato in 3D un modello in plastica del cuore di un coniglio. Hanno quindi disposto una rete di 68 minuscoli sensori elettronici sullo stampo, rivestendolo con uno strato di materiale in gomma siliconica approvato dalla FDA. Dopo il set di gomma, gli assistenti di laboratorio di Rogers hanno rimosso il polimero preparato su misura.
Per testare la membrana, i ricercatori l'hanno avvolta attorno a un vero cuore di coniglio, collegato a una pompa meccanica. Il team ha progettato il dispositivo per essere leggermente più piccolo dell'organo reale per dargli una calzata delicata, simile a un guanto.
"La cosa delicata qui", afferma Rogers, "è che la membrana deve essere dimensionata in modo tale da creare la pressione sufficiente per mantenere gli elettrodi in contatto sufficiente con la superficie. Se si preme troppo forte, il cuore risponderà un modo negativo ".
"Deve adattarsi perfettamente", aggiunge.
Michael McAlpine, un ingegnere meccanico dell'Università di Princeton che non era coinvolto nella ricerca, ha detto allo scienziato : " La novità e l'impressionante qui è che hanno integrato una serie di funzionalità diverse in una membrana che copre l'intera superficie del cuore Questa diffusione di sensori offre un elevato livello di risoluzione spaziale per il monitoraggio cardiaco e offre un maggiore controllo in termini di stimolazione ".
Quindi cosa ci vorrà perché questa svolta passi dal laboratorio al paziente? Rogers stima almeno un altro decennio di sviluppo prima che qualcosa possa essere pronto per il mercato medico. Nel frattempo, ha in programma di continuare a collaborare con l'ingegnere biomedico dell'Università di Washington Igor Efimov per affinare la dimostrazione del concetto in una tecnologia pratica, sicura e affidabile.
Un grande ostacolo è capire come alimentare la membrana senza batterie convenzionali. Attualmente, Rogers e il suo team stanno esplorando alcune alternative, come la ricarica ad ultrasuoni, un metodo in cui l'energia viene trasmessa in modalità wireless attraverso la pelle, nonché l'utilizzo di materiali piezoelettrici che catturano energia dall'ambiente circostante. Per quest'ultimo, c'è qualche precedente per il successo. Due anni fa, gli ingegneri dell'Università del Michigan hanno sfruttato tali materiali per sviluppare un pacemaker alimentato esclusivamente dal battito cardiaco dell'utente.
"Dal momento che stiamo cercando di incorporare molti più sensori, oltre a fornire impulsi elettrici e calore, ci vorrà più energia rispetto alla quantità generata per i pacemaker convenzionali", afferma Rogers. "In futuro, speriamo di poter migliorare l'efficienza".
Un altro elemento cruciale è trovare un modo per inviare dati a un gadget esterno in modo che pazienti e specialisti possano accedervi. In questo momento, i sensori registrano cose come i cambiamenti di temperatura e PH, tra gli altri schemi, ma gli scienziati devono ancora trovare un modo per fornire quei dati in modalità wireless.
"La comunicazione Bluetooth è a bassa potenza, quindi la stiamo osservando", afferma Efimov. “Fondamentalmente, il dispositivo richiederà più componenti e avremo bisogno di esperti in altri campi come l'elettronica, la telemetria e il software. Quindi, alla fine, dovremo raccogliere capitali di rischio e avviare una società ".
In questo momento, l'obiettivo è far funzionare la manica come un dispositivo pratico; non si può dire quanto costerà produrre, o quanto costerà ai consumatori quando si tratta del mercato.
La grande domanda, tuttavia, è in definitiva se il calzino cardiaco funzionerà in modo sicuro ed efficace in vivo o in soggetti di prova viventi reali. I pacemaker possono durare in genere 10 anni. Quindi, per essere pratico, l'invenzione di Rogers dovrebbe anche dimostrare che può rimanere operativa almeno per così tanto tempo. Il team si sta preparando a fare quel passo successivo con un pilota che testerà la membrana all'interno di un coniglio vivente, un test che sperano di completare con i finanziamenti del National Institutes of Health, insieme ad altre borse che stanno lavorando per garantire. Se tutto va bene, il prossimo test per verificare se il gadget è all'altezza sarà sugli umani.
