Auto-deployable, elettrodo biodegradabile offre monitoraggio minimamente invasivo dei segnali cerebrali.

25 agosto 2024 caratteristica

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di Ingrid Fadelli , Medical Xpress

I sensori che possono essere facilmente e sicuramente introdotti nel cervello potrebbero avere importanti applicazioni mediche e potrebbero anche contribuire allo sviluppo di dispositivi di interfaccia cerebrale. Nonostante siano stati compiuti significativi progressi nello sviluppo di questi sensori, la maggior parte dei dispositivi esistenti possono essere utilizzati solo tramite procedure chirurgiche invasive che possono comportare numerose complicazioni.

Ricercatori della Seoul National University e di altri istituti in Sud Corea hanno recentemente creato un nuovo elettrodo a tenda biodegradabile e auto-deployabile che potrebbe essere molto più semplice da inserire sulla superficie del cervello umano. Il loro design di elettrodo proposto, illustrato in Nature Electronics, potrebbe degradarsi naturalmente all'interno del corpo umano senza lasciare residui, il che significa che una volta inserito nel corpo non è necessario rimuoverlo chirurgicamente.

'Il nostro recente articolo è nato da una crescente consapevolezza delle sfide cliniche legate all'impianto di elettrodi tramite chirurgia cerebrale invasiva,' ha detto Seung-Kyun Kang, autore corrispondente dell'articolo, a Medical Xpress.

'Gli elettrodi convenzionali a grande superficie richiedono un'ampia rimozione del cranio per essere impiantati nel cervello, il che potrebbe comportare significativi rischi di complicazioni come sanguinamento, gonfiore, perdita di liquido cerebrospinale o infezione. Dopo l'uso, gli elettrodi residui sul cervello potrebbero scatenare reazioni immunitarie indesiderate o infezioni dovute alla formazione di biofilm, richiedendo un intervento chirurgico secondario per la rimozione.'

L'elettrodo a tenda creato dal team è un dispositivo di rilevamento con forma piramidale, che viene tipicamente utilizzato per raccogliere registrazioni di elettroencefalografia (EEG) e altri dati neurofisiologici.

'L'elettrodo a tenda elettronica che abbiamo sviluppato può essere dispiegato utilizzando una siringa in modo minimamente invasivo per misurare segnali cerebrali, e quindi può essere fatto a dissolversi e scomparire all'interno del corpo dopo l'uso,' ha detto Kang. 'La nostra tecnologia è particolarmente promettente per diagnostiche precise, come la diagnosi di epilessia, nonché protesi neurali e interfaccia cervello-computer (BCI) che richiedono l'interfacciamento con varie regioni cerebrali.'

L'elettrodo del team ha una struttura a tenda che può essere facilmente confezionata e dispiegata. Il dispositivo è in parte composto da polimeri a memoria di forma; materiali flessibili che possono recuperare la loro forma originale dopo essere stati tirati o compressi in un involucro stretto. Sfruttando le proprietà di questi materiali, gli elettrodi possono essere facilmente introdotti in spazi confinati sulla superficie del cervello attraverso un piccolo foro.

'Abbiamo anche integrato sensori elettronici inorganici biodegradabili con spessore nanometrico su una tenda elettronica per fornire flessibilità,' ha spiegato Kang. 'Grazie alla flessibilità meccanica dei sensori, siamo stati in grado di fornire vari dispositivi elettronici senza danneggiare i sensori durante l'iniezione per misurare vari segnali neurofisiologici dal cervello.'

I test iniziali che valutano le prestazioni degli elettrodi a tenda del team hanno dimostrato che possono mantenere le loro prestazioni elettriche per tutta la loro vita e decomporre completamente dopo l'uso senza lasciare residui. Mentre sono in funzione, i sensori possono registrare l'attività elettrica intorno a loro e trasmettere i dati raccolti ad altri dispositivi.

Essendo biodegradabili e non tossici, i nuovi sensori sviluppati da Kang e dai suoi colleghi non avrebbero bisogno di essere rimossi una volta introdotti all'interno del corpo umano. Questa caratteristica è molto allettante per una vasta gamma di applicazioni reali, che vanno dalla medicina di precisione allo sviluppo di interfaccce cervello-computer sicure (BCI).

'La tenda elettronica può essere utilizzata per diagnosticare l'epilessia, che può richiedere una mappatura di grande superficie per localizzare le aree interessate,' ha detto Jae-Young Bae, primo autore dell'articolo. 'In generale, le crisi epilettiche coinvolgono intricate reti di regioni cerebrali, spesso situate in profondità nel cervello. Inserire gli elettrodi in queste regioni profonde e multiple per individuare l'origine delle crisi può comportare danni considerevoli. Inoltre, dato che le crisi non sono costanti, spesso è necessaria una monitoraggio prolungato.'

I metodi attualmente esistenti per diagnosticare l'epilessia comportano la mappatura dell'attività cerebrale per periodi di tempo prestabiliti, solitamente intorno alle due settimane. Questo viene spesso fatto utilizzando elettrodi in grado di catturare ciò che sta accadendo in tutto il cervello, consentendo ai medici di individuare l'origine delle crisi epilettiche sperimentate dai pazienti.

Una volta che i medici sono in grado di diagnosticare l'epilessia o identificare altre fonti delle crisi di un paziente, possono iniziare a ideare interventi terapeutici adeguati. Prima di ciò, però, devono rimuovere chirurgicamente gli elettrodi impiantati dal cervello del paziente.

'Il nostro tendone elettronico biodegradabile potrebbe ridurre il carico chirurgico associato all'impianto di elettrodi di mappatura di ampia area ed eliminare la necessità di un intervento chirurgico di rimozione secondario,' spiegò Bae. 'L'elettrodo a tentone potrebbe quindi offrire una soluzione diagnostica minimamente invasiva rispetto ai metodi tradizionali che richiedevano la rimozione di una grande area cranica per l'inserimento dell'elettrodo.'

Oltre a facilitare potenzialmente la diagnosi dell'epilessia e di altre condizioni legate al cervello, i nuovi elettrodi a tendone potrebbero essere utilizzati per sviluppare BCI. Queste sono interfacce emergenti che potrebbero migliorare le interazioni uomo-macchina e aiutare nella riabilitazione medica dei pazienti.

'Ad esempio, le BCI possono aiutare nella ripresa motoria dei pazienti colpiti da ictus e controllare neuroprotesi o sistemi robotici esterni,' disse Bae. 'Le BCI di ampia area sono più sensibili e possono consentire la mappatura completa delle regioni cerebrali, consentendo una localizzazione più accurata dell'attività neurale, facilitando lo studio delle funzioni cerebrali complesse e migliorando il miraggio degli interventi terapeutici. Tuttavia, la tecnologia BCI si confronta con sfide legate ai rischi associati ai procedimenti invasivi. Ci aspettiamo che l'elettrodo a tentone possa ridurre al minimo il rischio d'uso nella tecnologia BCI.'

Questo recente lavoro di Kang e dei suoi colleghi potrebbe presto contribuire allo sviluppo di BCI e dispositivi impiantabili più sicuri per diagnosticare varie condizioni mediche. Nell'ambito dei loro prossimi studi, i ricercatori pianificano anche di esplorare la possibilità di utilizzare vari materiali bio-degradabili per fornire interventi terapeutici mirati, come la chemio- e fototerapia.

'In futuro, intendiamo collaborare anche con partner clinici per testare la nostra tecnologia di tendone elettronico biodegradabile in applicazioni cliniche,' aggiunse Kang. 'Ciò ci permetterà di condurre prove sul campo in ambienti medici per valutare le prestazioni e il comportamento di degradazione della nostra tecnologia al di fuori dell'ambiente di laboratorio. In definitiva, il nostro obiettivo è di incorporare queste elettroniche biodegradabili nei dispositivi medici, offrendo soluzioni diagnostiche o terapeutiche minimamente invasive.'

Maggiori informazioni: Jae-Young Bae et al, Un elettrodo a tendone elettronico biodegradabile e auto-schierante per l'interfacciamento del córtex cerebrale, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01216-x

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