Riassunto:
I ricercatori dell'Università del Massachusetts Amherst hanno sviluppato un dispositivo a rete elettronica ultrasottile e flessibile che si integra con le cellule viventi del muscolo cardiaco umano e converte il movimento meccanico generato dalla contrazione cellulare in energia elettrica. Si prevede che questo nuovo dispositivo, chiamato "Biohybrid Mesh Harvester", fornirà un nuovo metodo di alimentazione per dispositivi medici impiantabili a bassa potenza come pacemaker, apparecchiature per il monitoraggio cardiaco e neurostimolatori, riducendo le dimensioni, il peso e i problemi chirurgici di sostituzione causati dalle batterie tradizionali.
Questo risultato della ricerca è stato pubblicato sulla rivista "Science Advances" il 7 ottobre 2026 e ha recentemente attirato l'attenzione dei media tecnologici. I ricercatori affermano che la densità energetica effettiva del nuovo sistema è più di dieci volte superiore rispetto ai tradizionali dispositivi centralizzati di raccolta dell'energia. Tuttavia, i risultati attuali sono ancora in fase di ricerca di laboratorio e non sono stati verificati su animali vivi o esseri umani, né è stato dimostrato che possano guidare in modo indipendente un vero e proprio dispositivo medico implantare.
Le moderne apparecchiature elettroniche mediche svolgono un ruolo sempre più importante nel migliorare la qualità della vita dei pazienti. Gli impianti cocleari, i neurostimolatori, gli impianti cardiaci e alcuni dispositivi per la gestione del diabete richiedono tutti un'alimentazione elettrica costante e stabile. Anche i dispositivi indossabili come orologi intelligenti e anelli intelligenti fanno affidamento sulle batterie per funzionare. Sebbene le batterie siano mature e affidabili, esiste una contraddizione tra dimensioni, peso e capacità di accumulo di energia: restringere la batteria può rendere il dispositivo più sottile e leggero, ma anche l’energia immagazzinata sarà ridotta.
I problemi relativi alla batteria sono particolarmente gravi per i dispositivi medici impiantati nel corpo umano. Dopo che un normale orologio intelligente si è esaurito, è possibile ripristinarlo semplicemente posizionandolo sul caricabatterie; tuttavia, se la batteria di alcuni dispositivi medici implantari necessita di essere sostituita, il paziente potrebbe dover sottoporsi nuovamente ad un intervento chirurgico, sopportando costi e rischi medici aggiuntivi. Pertanto, gli scienziati hanno esplorato modi per utilizzare l'energia del corpo per alimentare i dispositivi elettronici.
Ci sono molte fonti di energia disponibili all'interno del corpo umano. Ad esempio, la differenza di temperatura tra il corpo e il mondo esterno può essere utilizzata per generare termoelettricità, mentre la contrazione muscolare, il battito cardiaco e i movimenti respiratori possono fornire energia meccanica. I materiali piezoelettrici possono convertire la deformazione meccanica generata quando vengono schiacciati o allungati in cariche elettriche e sono quindi considerati una potenziale via tecnologica per alimentare dispositivi elettronici impiantabili.
Tuttavia, i tradizionali raccoglitori di energia piezoelettrici sono generalmente installati come dispositivi autonomi sulle superfici dei tessuti. Potrebbero esserci differenze meccaniche significative tra tali progetti centralizzati e i tessuti umani: i componenti elettronici sono relativamente rigidi, mentre i tessuti biologici come il muscolo cardiaco sono morbidi e costantemente in movimento. La discrepanza meccanica tra i due può non solo limitare l'efficienza di raccolta dell'energia, ma anche aumentare la difficoltà di progettazione quando il dispositivo è a contatto a lungo termine con il tessuto.
Il gruppo di ricerca dell'Università del Massachusetts ha quindi cambiato l'idea progettuale. Invece di fissare un grande dispositivo di generazione di energia sulla superficie del tessuto, molte micro unità di generazione di energia sono disperse e disposte in una struttura a rete flessibile, consentendo alle cellule viventi di crescere dentro e attorno al dispositivo elettronico, in modo che i due formino una combinazione strutturale più stretta.
I ricercatori hanno innanzitutto preparato un gran numero di minuscole strutture a nastro realizzate in zirconato titanato di piombo (PZT). Si tratta di un materiale ceramico piezoelettrico comunemente utilizzato in sensori e attuatori che genera una carica elettrica quando deformato meccanicamente. Il team ha poi integrato queste minuscole unità piezoelettriche in uno strato di rete polimerica ultrasottile e flessibile per formare una rete interconnessa di raccolta dell’energia.
A differenza di un substrato continuo e chiuso, la struttura a griglia lascia molto spazio aperto, consentendo alle cellule viventi di passare e crescere all'interno del dispositivo. I ricercatori hanno seminato cardiomiociti umani su questa piattaforma. Man mano che le cellule crescevano gradualmente, i cluster cellulari formavano una stretta combinazione con la struttura a griglia. La struttura bioibrida risultante si muove con il tessuto del muscolo cardiaco e deforma il materiale piezoelettrico incorporato mentre le cellule si contraggono.
Quando i cardiomiociti si contraggono, le strutture a nastro PZT distribuite su tutta la griglia vengono schiacciate o allungate, generando così energia elettrica attraverso l'effetto piezoelettrico. Poiché le unità generatrici di energia non sono più concentrate in un punto sulla superficie del tessuto, ma sono distribuite in tutta la rete, il sistema è in grado di raccogliere energia meccanica da un’area più ampia di contatto tra cellule e strutture elettroniche.
Il team di ricerca ritiene che questa architettura distribuita sia l'innovazione più importante di questa tecnologia. I dispositivi tradizionali di solito si basano su un collettore di energia relativamente concentrato, mentre le nuove soluzioni integrano molte microunità nelle strutture dei tessuti biologici, consentendo ai dispositivi elettronici di avvicinarsi alle cellule pur mantenendo una flessibilità sufficiente.
I risultati sperimentali mostrano che la densità energetica effettiva del nuovo sistema supera dieci volte quella delle soluzioni centralizzate di raccolta energetica esistenti. Il parametro chiave in questo caso è la densità energetica effettiva, ovvero il livello di energia che può essere raccolto all'interno del volume effettivo occupato dal dispositivo. I ricercatori ritengono che questo miglioramento derivi da un più stretto accoppiamento meccanico tra più unità di generazione di microenergia e tessuto cellulare, piuttosto che fare semplicemente affidamento sull’aumento delle dimensioni del dispositivo.
Un altro potenziale vantaggio è che la struttura può essere ampliata. Poiché la pellicola a rete è molto leggera e sottile, i ricercatori hanno proposto di sovrapporre più strati di rete per aumentare il numero totale di unità di generazione di energia, aumentando così la capacità complessiva di generazione di energia cercando di evitare un aumento significativo del volume del dispositivo. In futuro, gli ingegneri potrebbero essere in grado di regolare il numero di strati della griglia e la distribuzione delle unità di generazione di energia in base alle esigenze di consumo energetico dei diversi dispositivi impiantati.
L'applicazione potenziale più immediata di questa tecnologia è fornire energia ausiliaria a pacemaker, sistemi di monitoraggio cardiaco, neurostimolatori e altri dispositivi bioelettronici a bassa potenza. Essere in grado di raccogliere energia in modo continuo e affidabile dal movimento naturale del cuore o di altri tessuti avrebbe l’opportunità di prolungare il tempo di funzionamento dei dispositivi impiantati, ridurre la frequenza di sostituzione della batteria e ridurre la necessità per i pazienti di sottoporsi a un nuovo intervento.
La tecnologia potrebbe anche fornire nuove idee di progettazione per sensori indossabili. I futuri dispositivi elettronici flessibili potrebbero ridurre la loro dipendenza dalle batterie tradizionali se potranno integrarsi più strettamente con i tessuti umani e utilizzare il movimento del corpo per ottenere parte della loro energia. Tuttavia, queste applicazioni sono ancora concetti di ricerca e non hanno ancora raggiunto la fase in cui possono essere utilizzate direttamente nei prodotti clinici.
Yao Jun, autore senior del documento di ricerca e professore associato presso la School of Engineering dell'Università del Massachusetts Amherst, ha affermato che i tessuti umani possono rifiutare dispositivi elettronici più grandi e con proprietà meccaniche non corrispondenti. Si prevede che l'avvicinamento del dispositivo alla scala cellulare ne migliorerà la compatibilità con i tessuti biologici. Egli ritiene che il potenziale di tali sistemi risieda nel consentire una più stretta integrazione bioelettronica in strutture più piccole.
Tuttavia, ci sono ancora diversi problemi chiave che devono essere risolti con questa tecnologia. Innanzitutto, lo studio attuale è stato condotto solo su tessuto muscolare cardiaco coltivato in laboratorio e i ricercatori non hanno dimostrato che possa funzionare a lungo termine in un ambiente di vita. In secondo luogo, è necessario testare ulteriormente la potenza di uscita effettiva, se può soddisfare stabilmente i requisiti di consumo energetico dei diversi dispositivi impiantati e se il movimento meccanico a lungo termine causerà affaticamento dei materiali o degrado delle prestazioni.
Anche la sicurezza dei materiali rappresenta una sfida importante. Lo zirconato titanato di piombo utilizzato nel dispositivo contiene piombo. Se viene utilizzato all'interno del corpo umano, è necessario garantire che il materiale sia incapsulato in modo affidabile per evitare perdite di sostanze nocive e danni ai tessuti circostanti. I ricercatori dovranno inoltre valutare la biocompatibilità a lungo termine, la risposta immunitaria, la durabilità dell’incapsulamento e la stabilità del dispositivo in ambienti fisiologici reali.
Pertanto, il cosiddetto aumento della densità di energia di oltre dieci volte non significa che questo dispositivo possa sostituire completamente la batteria delle apparecchiature mediche impiantate, né significa che tutte le apparecchiature correlate possano funzionare immediatamente senza ricarica. Il relativo miglioramento delle prestazioni nell'esperimento è solo una prova preliminare del potenziale della tecnologia. Se alla fine potrà essere utilizzato negli studi clinici dipende anche dalla potenza effettiva, dalla sicurezza e dall’affidabilità a lungo termine.
Nel complesso, l'importanza di questa ricerca risiede nel trasformare i raccoglitori di energia da dispositivi indipendenti fissati alla superficie del tessuto biologico in una rete elettronica distribuita in grado di crescere con le cellule viventi e muoversi con il tessuto. Fornisce nuove soluzioni ingegneristiche per stabilire una connessione più stretta tra l’energia del movimento umano e i dispositivi elettronici. Se la ricerca di follow-up riuscirà ad affrontare questioni come la sicurezza dei materiali, la stabilità a lungo termine e le effettive capacità di alimentazione, si prevede che questa rete bioibrida diventerà un’importante direzione tecnica per la prossima generazione di dispositivi medici impiantabili a bassa potenza.
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