Glaucoma: nuovi misuratori di pressione oculare da usare in casa

Innovativi sensori microfluidici renderanno più agevole il controllo continuo della pressione intraoculare, fondamentale per i pazienti affetti da glaucoma. A fare le misure sarà lo stesso malato, grazie a questi dispositivi semplici e privi di batterie e con l’ausilio di uno smartphone.

Eye sensor

Un gruppo di ricercatori di Stanford (California) ha sviluppato un nuovo sensore, piccolo ed economico, che potrà semplificare notevolmente il controllo di pazienti sottoposti a terapia per la cura del glaucoma. In particolare, esso permetterà di monitorare i cambi della pressione intraoculare lungo l’intera giornata. Sebbene sia necessario impiantare il dispositivo nell’occhio, in seguito il paziente sarà in grado di effettuare per proprio conto le misurazioni, senza dover stare in una struttura ospedaliera.

Il glaucoma è una malattia oculare molto grave che affligge oltre 65 milioni di persone al mondo e rappresenta la seconda causa di cecità, dopo la cataratta. E’ noto che un importante fattore di rischio è un’elevata pressione intraoculare, pertanto è importante farsela misurare regolarmente dall’oculista: se tale sintomo viene rilevato, occorre intervenire tempestivamente per ridurla, spesso ricorrendo alla chirurgia.

Pressione intraoculare sotto controllo

Il monitoraggio della pressione interna degli occhi è importante non solo per la diagnosi, bensì anche per la verifica degli effetti della terapia anti-glaucoma e/o nel periodo successivo all’operazione. A rendere piuttosto complicato tale compito è il fatto che, secondo quanto si è scoperto attraverso vari studi, la pressione intraoculare varia lungo l’arco della giornata e a seconda della posizione (essa è maggiore quando si sta supini). Inoltre, tali variazioni appaiono più ampie nei soggetti affetti da glaucoma. Ciò che ne consegue è che la misurazione puntuale effettuata dall’oculista non è sufficiente per tenere sotto controllo i pazienti a cui sia stata diagnosticata la malattia.

Sistema microfluidico per la misura della pressione intraoculare, incorporato in una lente oculare, di quelle normalmente impiantate nelle operazioni di cataratta. [Immagine: Nature Medicine; Nature America, Inc.]

Il dispositivo realizzato dai fisici e bioingegneri di Stanford (California) è costituito da un sensore di pressione che si può montare in una lente intraoculare, del tipo di quelle che vengono impiantate chirurgicamente a pazienti affetti da cataratta.
Il sensore si basa su semplici principi di fisica dei fluidi. Esso è composto da un canale microfluidico messo in comunicazione diretta con il liquido acquoso presente nell’occhio e connesso, dall’altro lato, a una piccola riserva di una sostanza gassosa. La pressione intraoculare fa sì che il liquido entri nel microcanale e comprima il gas, fino al raggiungimento di una condizione di equilibrio. Se la pressione aumenta, l’interfaccia tra il liquido e il gas si sposta in direzione della riserva di quest’ultimo; viceversa, se ne allontana se la pressione diminuisce.

Basta uno smartphone

Ciò che rende tale dispositivo estremamente pratico è il fatto che la misura effettuata possa essere letta semplicemente con uno smartphone dotato di fotocamera. Occorre solo adoperare un adattatore ottico, che consenta di posizionare correttamente la fotocamera di fronte alla pupilla e mettere in ombra l’occhio, e di un programma specifico in grado di analizzare l’immagine così acquisita e estrarne il valore della pressione intraoculare. L’uso di un dispositivo elettronico intelligente, come appunto lo smartphone, facilita anche l’immagazzinamento ordinato dei dati e la ricostruzione delle variazioni giornaliere della pressione.

I test condotti sui prototipi di tali sensori ne hanno messo in evidenza la elevata precisione e sensibilità, caratteristiche che li rendono particolarmente affidabili.

Smartphone with optical adaptor

La misura di pressione potrà essere letta con la fotocamera di uno smartphone dotato di un apposito adattatore ottico e di un’applicazione per analizzare l’immagine. (L’adattatore nella foto è solo un esempio indicativo).

E non sono gli unici: altri misuratori “portatili”

Non si tratta in realtà dei primi misuratori di pressione intraoculare “portatili” che siano stati inventati. Un gruppo di ricercatori dell’Università del Michigan ha sviluppato un sensore capacitivo basato sulla tecnologia MEMS (sistemi micro-elettro-meccanici), il quale misura la pressione dell’occhio a intervalli fissi e li registra su una piccola memoria RAM. I dati sono poi inviati ad un dispositivo di lettura tramite una microantenna.

Anche la compagnia svizzera Sensimed, specializzata in apparecchiature elettromedicali, ha messo a punto un misuratore incorporato in una lente, basato su un anello di platino che si tende (o comprime) e cambia resistenza a seconda della pressione. Anche in questo caso i dati sono trasmessi a un sistema di lettura tramite antenna.

Sensimed's eye sensor

Lente con misuratore di pressione sviluppato dalla compagnia svizzera Sensimed. [Immagine: Sensimed]

Tali soluzioni risultano però poco comode perché entrambi i dispositivi sono piuttosto ingombranti e, soprattutto, hanno delle batterie che devono essere ricaricate periodicamente. Il grandissimo vantaggio del sensore microfluidico sviluppato a Stanford è che esso, invece, non ha alcuna antenna e non ha bisogno di essere caricato. I dati relativi alle misure di pressione, infatti, non vengono inviati, bensì la lettura avviene direttamente tramite un comune smartphone dotato di apposita applicazione. Dall’altro lato, però, tale sensore non registra automaticamente la pressione, bensì è il paziente o un suo parente a dover occuparsi di fotografare regolarmente l’occhio interessato. Inoltre, il gas potrebbe lentamente fuoriuscire, rendendo la lettura imprecisa. I ricercatori stimano però che il dispositivo possa funzionare correttamente per almeno dieci anni.

La notte del 26 settembre sarà bianca per gli amanti della scienza

Torna la Notte Europea dei Ricercatori, grande evento di divulgazione scientifica organizzato da Frascati Scienza e finanziato dalla Commissione Europea. Tantissimi gli appuntamenti in varie città d’Italia, tra visite guidate ai centri di ricerca, laboratori per adulti e bambini, mostre, conferenze e aperitivi con i ricercatori.

Notte Europea dei Ricercatori 2014: previsti numerosi laboratori per ragazzi.

Notte Europea dei Ricercatori 2014: previsti numerosi laboratori per ragazzi.

Domani, 26 settembre, torna in tutta Italia la Notte Europea dei Ricercatori, grande appuntamento dedicato alla divulgazione scientifica che chiude la Settimana della Scienza. In questi giorni centinaia di eventi organizzati in numerose città italiane hanno portato la scienza tra la gente e nelle scuole, così come molti centri di ricerca hanno aperto le porte al largo pubblico.

Un ricchissimo calendario di conferenze, aperitivi scientifici, visite guidate e laboratori per adulti e bambini ha consentito ai protagonisti della ricerca italiana di raccontare il proprio lavoro alla cittadinanza -soprattutto ai giovani- e coinvolgerla in numerose attività.

La giornata di domani sarà il momento culminante della manifestazione e gli eventi si protrarranno fino a tardi, in una notte bianca dedicata alla scienza e all’eccellenza italiana nella ricerca.

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Visite guidate presso i centri di ricerca

Vari istituti de enti apriranno le porte al pubblico, che avrà modo di essere accompagnato dai ricercatori attraverso i laboratori in cui si svolgono gli esperimenti o si costruiscono grandi apparati sperimentali. Tra questi, i Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN, l’Ente italiano per la ricerca nella fisica delle particelle elementari, nucleare, astro-particellare e medica.

Anche l’ENEA, Ente Nazionale per l’Energia, accoglierà visitatori all’interno delle proprie strutture e realizzerà laboratori di ottica per ragazzi, dedicati allo studio delle caratteristiche di varie sorgenti di luce (fonti incoerenti e fasci laser) e alle illusioni ottiche.

A Frascati sarà allestito un laboratorio di antropologia forense. [Immagine: Frascati Scienza]

A Frascati sarà allestito un laboratorio di antropologia forense. [Immagine: Frascati Scienza]

Laboratori per adulti e bambini

Per gli appassionati di ossa e della serie televisiva “Bones”, a Frascati sarà allestito un laboratorio di antropologia forense, ossia la branca della scienza che studia gli scheletri rivolta alle indagini giudiziarie.

Moltissimi appuntamenti sono previsti anche presso l’INFN di Catania, con laboratori dedicati alla rivelazione dei raggi cosmici, alla robotica, alla biologia marina, nonché all’impiego delle conoscenze fisiche per la tutela dell’arte.

Aperitivi scientifici e incontri con ricercatori in tante città. [Immagine: Frascati Scienza]

Aperitivi scientifici e incontri con ricercatori in tante città. [Immagine: Frascati Scienza]

Mostre e incontri con i ricercatori

Ancora mostre a Milano, Roma, Trieste e Cagliari, aperitivi scientifici a Pisa, Pavia e Frascati e tanti laboratori dedicati ai più piccoli (a Bologna, Frascati, Roma, Bari, ecc).

Presso l’ESRIN, centro dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) di Frascati, sarà possibile incontrare l’astronauta italiano Paolo Nespoli, che parlerà del suo soggiorno nella Stazione Spaziale Internazionale e condividerà le sue esperienze di vita in assenza di gravità.

Non mancheranno anche visite al Planetario di Bologna e all’Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO) di Cascina (Pisa), laboratori dedicati alle energie sostenibili, nonché musica nelle piazze (a Cagliari fino a notte inoltrata, con proposte di musica rap per i più giovani).

Notte Europea dei Ricercatori 2014: previste visite al Planetario di Bologna e all'Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO) di Cascina (Pisa).

Notte Europea dei Ricercatori 2014: previste visite al Planetario di Bologna e all’Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO) di Cascina (Pisa).

Un evento divulgativo di successo

Lunghissimo e variegato il programma, consultabile sul sito web di Frascati Scienza. L’affluenza attesa è elevata, come già rilevato in questi giorni, nonché nelle edizioni passate.

La Notte Europea dei Ricercatori è infatti giunta con successo alla sua nona edizione. Si tratta di un progetto coordinato e realizzato da Frascati Scienza in collaborazione con numerosi enti, nonché promosso dalla Commissione Europea. Esso rappresenta il primo progetto finanziato tramite il nuovo programma Horizon 2020, che nei prossimi sette anni investirà oltre ottanta miliardi di euro nella ricerca scientifica e l’innovazione.

L’idea nasce dal desiderio di avvicinare il più vasto pubblico alla scienza, di renderla accessibile e comprensibile, nonché di mostrare come la ricerca sia fondamentale per lo sviluppo della società. Eventi divulgativi di questo tipo rappresentano inoltre un’occasione per ricordare e celebrare l’eccellenza italiana nei più vari settori della scienza.

La risposta del pubblico dimostra che questo desiderio (o addirittura esigenza) è condiviso e apre la strada a sempre più numerose e interessanti iniziative.

La Notte Europea dei Ricercatori è un progetto coordinato e realizzato da Frascati Scienza e promosso dalla Commissione Europea.

La Notte Europea dei Ricercatori è un progetto coordinato e realizzato da Frascati Scienza e promosso dalla Commissione Europea.

Un software per individuare il rischio di epidemie fin dall’insorgere dei primi focolai

Il programma Healthmap sviluppato presso un ospedale di Boston consente di raccogliere tra siti ufficiali, giornali locali e social media dati relativi al manifestarsi di malattie infettive, come l’ebola. Potrebbe diventare uno strumento prezioso per il rapido riconoscimento di contagi in atto.

Medici senza frontiere impegnati in Guinea nella lotta contro la diffusione del virus ebola.

Medici senza frontiere impegnati in Guinea nella lotta contro la diffusione del virus ebola.

Quando si ha a che fare con malattie infettive che possono diffondersi rapidamente, come quella provocata dal virus ebola, la capacità di individuare in tempi rapidi i primi segnali del contagio è fondamentale per intervenire tempestivamente ed evitare un’epidemia.

Un software sviluppato da un gruppo di ricercatori dell’Ospedale Infantile di Boston, chiamato Healthmap, potrebbe rivelarsi estremamente utile per coadiuvare gli sforzi dell’Organizzazione Mondiale della Sanità nel tenere sotto controllo i focolai di malattie infettive in tutto il pianeta. La prova è data dal fatto che Healthmap individuò gli indizi dell’insorgere dell’attuale epidemia di ebola in Africa occidentale prima che le istituzioni competenti se ne accorgessero e lanciassero l’allarme.

Come funziona Healthmap

Il programma impiega algoritmi che collezionano le informazioni disponibili in rete relative alla contrazione di malattie infettive, cercandole costantemente presso gli organi di informazione ufficiale di governi e istituti di sanità, ma anche giornali e periodici locali, media sociali e blog (in 15 lingue). Le informazioni vengono filtrate, in primo luogo dal programma, successivamente da esseri umani, in modo da eliminare dati o notizie non affidabili.

Tutte queste informazioni sono organizzate per tema (tipo di malattia) e stato e visualizzate su una mappa mondiale interattiva. Quando vengono raccolte varie notizie del manifestarsi nel medesimo luogo di una malattia infettiva, sulla mappa appare un cerchio colorato (secondo una scala proporzionale al numero di dati), che segnala un possibile problema medico da analizzare al fine di scongiurare l’insorgere di un’epidemia.

La mappa interattiva di Healthmap che mostra le notizie relative al manifestarsi di ogni tipo di malattia infettiva. L'interfaccia grafica permette di navigare facilmente tra le informazioni relative ai vari paesi e di leggere direttamente i comunicati o gli articoli raccolti.

La mappa interattiva di Healthmap. L’interfaccia grafica permette di navigare facilmente tra le informazioni relative ai vari paesi e di leggere direttamente i comunicati o gli articoli raccolti.

Healthmap di fatto nacque otto anni fa, ad opera di John Brownstein, epidemiologo e professore di pediatria, e Clark Freifeld, programmatore dottorato in ingegneria biomedica, con l’aiuto di un team di collaboratori che è andato crescendo negli anni e ora conta 45 membri.

Il software è stato migliorato nel tempo, il sito è pubblico e i dati sono accessibili a tutti gli utenti. Inoltre, l’interfaccia grafica permette di navigare facilmente tra le informazioni relative ai vari paesi e di leggere direttamente i comunicati o gli articoli raccolti. I suoi ideatori sostengono che il traffico sul sito è aumentato enormemente negli ultimi mesi, in seguito alla vicenda del virus Ebola.

Healthmap individuò il contagio da ebola 9 giorni prima che la OMS lo annunciasse

Il 14 Marzo scorso Healthmap riportò una notizia che segnalava la morte di otto persone in Guinea a causa di una “misteriosa febbre emorragica”; cinque giorni dopo, sulla mappa interattiva apparve un cerchio rosso, il quale segnalava la raccolta di dati relativi alla morte di ben 23 individui, a causa di una malattia che sembrava essere ebola. In pratica, Healthmap rilevò l’insorgere del focolaio -e diede un segnale di allarme- prima che le istituzioni pubbliche si rendessero conto di ciò che stava accadendo. Del resto è noto che le informazioni viaggiano molto più rapidamente e facilmente sul web che lungo le vie ufficiali.

La conferma da parte dell’OMS arrivò solo il 23 marzo, in seguito ad una notifica ufficiale del Ministero della Sanità della Guinea.

Eventi segnalati da Healthmap il 19 Marzo 2014 in Guinea.

Eventi segnalati da Healthmap il 19 Marzo 2014 in Guinea.

I creatori di Healthmap sottolineano che il programma non si propone di sostituire gli organi ufficiali, quali appunto l’OMS, che per altro hanno il compito di verificare accuratamente le informazioni e diffonderle nella maniera più opportuna. L’individuazione di fenomeni di contagio, soprattutto ai primi stadi, è però molto difficile, in particolare quando si verificano in paesi con limitate infrastrutture sanitarie pubbliche.

Uno strumento al servizio di governi e istituti di sanità

La ricerca e raccolta costante di notizie, organizzate e associate in maniera ragionata da specifici algoritmi, consente a volte di rilevare pattern epidemiologici, ossia schemi di contagio o diffusione di una malattia, che senza una visione completa e di insieme possono sfuggire, per essere poi notati quando il fenomeno abbia assunto già portata significativa.

“Il nostro obiettivo è quello di mettere a disposizione dei governi, degli istituti di sanità e degli epidemiologi informazioni accurate, il più rapidamente possibile, in modo che essi possano rispondere meglio e tempestivamente al diffondersi di malattie infettive”, afferma Brownstein.

Data la crescita del fenomeno ebola in questi mesi -e l’allarme sanitario conseguente- gli sviluppatori di Healthmap hanno creato una pagina a parte per questa epidemia, nella quale si possono consultare tutte le notizie raccolte a partire dal 14 marzo scorso. Inoltre, collegandosi a questo link e premendo “play” è possibile vedere come si è gradualmente diffusa l’infezione.

Ovviamente Healthmap non è perfetto e senza dubbio continuerà ad essere migliorato. E’ comunque auspicabile che, in seguito alla drammatica vicenda vissuta ora dall’Africa occidentale, strumenti informatici di questo tipo siano adottati e adoperati più sistematicamente.

Nuove fibre ottiche per le telecomunicazioni e la chirurgia

Sviluppata una nuova fibra ottica, dalla struttura altamente disordinata, che sarà in grado di trasmettere più informazione. La maggiore concentrazione del fascio luminoso da essa trasportato consentirà anche la realizzazione di bisturi laser molto più precisi.

Le fibre ottiche sono largamente impiegate nelle telecomunicazioni, nella medicina e nell'illuminotecnica.

Le fibre ottiche sono largamente impiegate nelle telecomunicazioni, nella medicina e nell’illuminotecnica.

Un gruppo di ricercatori italiani (CNR e IIT) e del Wisconsin ha sviluppato un nuovo tipo di fibra ottica che permetterà trasmissioni più veloci e operazioni chirurgiche più precise.

Essa si basa sull’applicazione del fenomeno di localizzazione delle onde di Anderson, noto ormai da mezzo secolo, combinata con l’impiego di moderni metodi di focalizzazione della luce.

Intrappolare le onde

Nel propagarsi in un mezzo, normalmente le onde diffondono in tutte le direzioni. Se si aumenta il disordine del mezzo, ossia i difetti della sua struttura, la diffusione viene ostacolata. Secondo l’interpretazione del fenomeno data da Anderson, esiste una quantità critica di tali difetti oltre la quale si arriva alla completa assenza di trasmissione.

Utilizzando un mezzo adeguatamente disordinato, dunque, si può inibire la diffusione delle onde in tutte le direzioni e localizzarne spazialmente il cammino. Questo è stato dimostrato per vari tipi di onde: elettromagnetiche, meccaniche, sonore.

Nel nostro caso, l’onda in questione è la luce (che è al tempo stesso onda elettromagnetica e flusso di particelle, i fotoni) e il mezzo è la fibra ottica. Per far sì che un fascio di luce si propaghi in una direzione precisa, occorre utilizzare una fibra ottica avente una struttura tale che la trasmissione sia inibita lateralmente ma non longitudinalmente.

Una struttura disordinata

Questo effetto è stato ottenuto dai ricercatori impiegando una fibra costruita con micro-tubi di materiali plastici (polistirene e polietil-metacrilato) disposti in maniera disordinata. Il fascio ottico che porta l’informazione viene focalizzato tramite un sistema di modulazione spaziale di luce e inviato lungo la fibra ottica, che rappresenta la linea di trasmissione.

Gli esperimenti condotti hanno dimostrato che il fascio resta molto concentrato, confinato in un cammino molto stretto. Ciò consente di realizzare fibre con più cammini ottici in parallelo, così da permettere la trasmissione in contemporanea di più informazione.

La struttura disordinata della nuova fibra ottica permette di confinare spazialmente il fascio di luce lungo un cammino molto stretto.

Immagine al microscopio elettronico di una fibra ottica a struttura disordinata.Tale struttura permette di confinare spazialmente il fascio di luce lungo un cammino molto stretto. La banda bianca in basso a destra corrisponde a 4 micrometri di lunghezza. [Immagine: Nature]

Le applicazioni

Le possibili applicazioni di queste nuove fibre però non si limitano solo alle telecomunicazioni, bensì anche alla medicina, in particolare alla chirurgia laser.

In chirurgia, si può utilizzare una fibra ottica per trasportare un fascio laser e realizzare tagli molto precisi, uniti a un effetto coagulante – spiega Claudio Conti, direttore dell’Istituto dei sistemi complessi del CNR – Il taglio è tanto più preciso, quanto più la luce è focalizzata, e le nuove fibre potrebbero migliorare la precisione di questo bisturi laser.”

Gli istituti di ricerca italiani coinvolti in questa ricerca sono numerosi: l’Istituto dei sistemi complessi (ISC) e l’Istituto per i processi fisico chimici (IPCF) del Consiglio Nazionale delle Ricerche; l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT); il Dipartimento di Fisica della Sapienza. Il lavoro, che è stato realizzato in collaborazione con alcuni ricercatori dell’Università del Wisconsin, è stato recentemente pubblicato sulla rivista Nature Communications’.


Cos’è la fibra ottica?

Le fibre ottiche sono dei tubicini di materiale plastico o vetroso all’interno dei quali si può far propagare la luce in maniera guidata. I cavi realizzati con fibre ottiche sono molto flessibili e resistenti a disturbi elettrici, intemperie, variazioni di temperatura. Pertanto possono essere impiegati per trasmettere segnali a larga distanza, incorrendo in scarsa degradazione del segnale.

Struttura di un cavo di fibra ottica: nucleo (core); mantello (cladding); rivestimento (coating).

Struttura di un cavo di fibra ottica: nucleo (core); mantello (cladding); rivestimento (coating).

Ogni singola fibra ottica è composta da due strati concentrici di materiale trasparente molto puro: un nucleo cilindrico centrale, detto core, ed un mantello esterno, chiamato cladding. Il tutto è poi ricoperto da una guaina isolante polimerica che protegge la fibra da stress fisici.

Il segnale ottico si trasmette lungo la fibra rimbalzando tra il nucleo e il mantello. Più precisamente, la luce entra nel core ad un certo angolo e si propaga mediante una serie di riflessioni alla superficie di separazione fra il nucleo e il mantello.

Batterie molto più flessibili, sottili e ‘stampate’ per l’elettronica di consumo

L’introduzione di batterie flessibili, ricaricabili, economiche e fabbricabili con stampanti 3D potrebbe rivoluzionare l’industria dell’elettronica di consumo, nonché dei dispositivi medici e dei sensori ambientali.

Un foglio di batterie prodotte dalla Imprint Energy.

Una giovane impresa californiana, chiamata Imprint Energy, si sta specializzando nella produzione di batterie stampate ultrasottili, flessibili e ricaricabili, destinate all’impiego per le apparecchiature elettroniche che soffrono delle limitazioni date dalle batterie tradizionali a ioni di litio (usate nei computer portatili e nei telefoni cellulari).

L’idea nasce dagli studi condotti da una giovane ricercatrice, Christine Ho, durante il suo dottorato all’Università di Berkeley. Conseguito il titolo, Ho fonda nel 2010 la Imprint Energy con dei colleghi, al fine di commercializzare la sua invenzione.

Lo sviluppo di dispositivi elettronici sottili e ultraleggeri è oggigiorno limitato principalmente dalle dimensioni e dal peso delle batterie. Il litio in esse impiegato è un elemento instabile, che reagisce facilmente con l’acqua; è altamente infiammabile e leggermente esplosivo se esposto all’aria. Di conseguenza, esso deve essere isolato ermeticamente dall’ambiente esterno e per far ciò occorre usare un imballaggio che risulta abbastanza ingombrante e pesante.

Tali vincoli volumetrici e di peso possono essere eliminati sostituendo il litio con lo zinco, metallo molto più stabile, che non necessita spessi rivestimenti di protezione. Le batterie a litio, però, impiegano normalmente elettroliti allo stato liquido: ciò non va bene nel caso dello zinco, il quale in presenza di tali sostanze produce delle strutture inerti a ramo che crescono gradualmente fino a mettere in contatto i due elettrodi e rendere non funzionante la batteria.

La tecnologia sviluppata dalla ricercatrice Ho, in collaborazione con dei colleghi in Giappone, si basa sull’uso di un polimero solido al posto di elettroliti liquidi.

Le batterie realizzate con tale tecnologia (registrata con il nome di ZincPolyTM) sono dunque molto sottili e leggere, in quanto non richiedono un packaging voluminoso, sono ricaricabili come quelle a litio, però molto più sicure grazie alla stabilità del metallo usato.

Esse, inoltre, sono stampabili, ossia sono realizzabili semplicemente depositando strati di materiale -sotto forma di inchiostro- su un substrato di vetro, formando così dei fogli che vengono poi assemblati in celle. La possibilità di usare stampanti 3D per la fabbricazione rende il processo poco costoso e molto versatile, in quanto può facilmente essere realizzata la forma richiesta dall’utente.

Già in passato sono state proposte delle batterie stampate (non si tratta dunque di una invenzione di Ho e colleghi), però erano dispositivi usa-e-getta, mentre la tecnologia usata dalla Imprint Energy permette la produzione di batterie ricaricabili.

Processo di fabbricazione di una batteria stampata: un sottilissimo ago depone strati di materiale. [Video: Jennifer Lewis, Harvard University]

Processo di fabbricazione di una batteria stampata: un sottilissimo ago depone strati di materiale. [Video: Jennifer Lewis, Harvard University]

L’azienda si è già assicurata sei milioni di dollari di finanziamento da parte di partner industriali, interessati alle numerose applicazioni possibili.

Se è vero che l’impiego immediato di queste batterie ultrasottili e flessibili è l’elettronica di consumo, sicuramente il settore medico potrà giovarsene: data la loro non tossicità (a differenza di quelle a litio), potrebbero essere usate per alimentare dispositivi inseriti direttamente nel corpo o a stretto contatto con esso (per monitorare lo stato di salute di pazienti). Altre potenziali applicazioni, poi, vanno dalla realizzazione di etichette “intelligenti”, per tracciare confezioni di cibo, a quella di sensori ambientali.

Secondo i fondatori della Imprint Energy, in meno di un paio di anni i primi prodotti commerciali basati sulle loro batterie a zinco saranno sul mercato.

Laboratorio per analisi cliniche prêt-à-porter su fibra ottica

Dopo il progetto “lab on a chip”, volto alla realizzazione di un laboratorio di analisi cliniche compatto e portatile, è ora in via di sviluppo “lab on a fiber”, che si propone di essere ancora più piccolo, economico, resistente e – soprattutto – impiegabile come sonda direttamente all’interno del corpo umano.

[Illustrazione: James Archer/anatomyblue, tramite IEEE]

[Illustrazione: James Archer/anatomyblue, tramite IEEE]

E’ incontestabile che l’esame clinico ideale (e sognato) sarebbe rapido, preciso, non invasivo ed economico. Svolgere analisi cliniche in maniera accurata e celere è la chiave per ottenere una diagnosi rapida della malattia che affligge il paziente e, di conseguenza, intervenire tempestivamente con le cure del caso. Rendere gli esami meno invasivi, poi, consentirebbe di effettuarli in maniera regolare e senza traumi o sgradevoli conseguenze per coloro che vi si sottopongono. Infine, se l’attrezzatura e i materiali necessari sono poco costosi, chiunque può permettersi di effettuare le analisi necessarie.

In alcuni luoghi disagiati, in cui non esiste un sistema sanitario al livello di quello dei paesi ricchi, con ospedali equipaggiati e medicinali a disposizione, a tutte le qualità auspicate già elencate si aggiunge anche la compattezza. Spesso, infatti, tutto il necessario per effettuare diagnosi e cura deve essere inviato da altri paesi e lo si deve poter impiegare in assenza di strutture specializzate.

Vari gruppi di ricerca si sono dedicati allo sviluppo di sistemi compatti e di semplice uso per la diagnosi. Particolarmente successo ha riscosso il progetto “lab on a chip”, orientato alla realizzazione di un laboratorio di analisi “portatile”. Il kit si compone di un sistema meccanico-chimico che svolge le analisi e un circuito integrato che raccoglie i segnali – ossia i risultati – e li analizza.

Supponiamo di voler effettuare analisi del sangue. Grazie a micro-pompe e valvole, piccole quantità del liquido da esaminare scorreranno in microcanali, fino a raggiungere delle molecole target (bersaglio). Queste reagiscono con il sangue e il cambiamento prodotto genera una variazione in alcuni livelli di corrente o tensione. Tali segnali sono raccolti dal circuito integrato, che li amplifica, li analizza e invia il responso dell’esame ad uno schermo dove vengono visualizzati. Il tutto in tempi molto rapidi, dell’ordine dei 20 minuti.

Un ulteriore passo avanti è stato compiuto al fine di realizzare un micro-laboratorio portatile che potesse essere addirittura utilizzato all’interno del corpo o in altre circostanze particolari.

Il suddetto “lab on a chip”, infatti, non può essere utilizzato in ambienti umidi, come all’aperto o dentro il corpo umano, perché si deteriorebbe. Inoltre i circuiti contengono dei materiali tossici per l’uomo. Le dimensioni, poi, per quanto ridotte, non sono tali da permettere l’introduzione del dispositivo nei vasi sanguigni o nelle cellule.

Lab on a fiber

La nuova frontiera dell’integrazione degli esami clinici è il lab on a fiber, vale a dire un laboratorio chimico-biologico collocato su fibra di vetro, ossia la fibra ottica.

Quest’ultima è ben nota per essere una eccellente trasmettitrice di luce su grandi distanze: ciò consente di collocare la centralina che analizza i dati lontano da dove essi sono prodotti. Nel nostro caso, dunque, non sarebbe necessario integrare il circuito con la parte meccanica dell’apparato, ossia in cui avvengono le interazioni fisiche e chimiche con i liquidi o i tessuti da analizzare.

Una volta individuata la maniera di inviare i dati a distanza, occorreva decidere dove collocare le molecole target, destinate a reagire con le sostanze organiche sottoposte ad esame. Gruppi distinti di ricercatori stanno indagando varie soluzioni. Una di esse prevede che le sostanze reagenti vengano fatte aderire direttamente alle pareti della parte finale della fibra ottica.

Fibra ottica come sonda chimico-biologica

La fibra è fondamentalmente composta da due strutture cilindriche poste l’una nell’altra: un nucleo interno e un rivestimento esterno, protetti da una guaina polimerica. La luce si propaga nella fibra anche a grandi distanze, rimbalzando fra il nucleo e il rivestimento. Quando arriva in fondo, uno specchio posto all’estremità fa sì che essa torni indietro.

Lab on fiber; 1 Nucleo della fibra; 2 Griglia di rifrazione; 3 Molecole reagenti; 4 Specchio posto all'estremità della fibra per riflettere indietro la luce; 5 Confrontando il fascio di luce raccolto con quello inviato si ricostruisce il responso dell'analisi. [Immagine: James Archer/anatomyblue, tramite IEEE ]

Lab on fiber; 1 Nucleo della fibra; 2 Griglia di rifrazione; 3 Molecole reagenti; 4 Specchio posto all’estremità della fibra per riflettere indietro la luce; 5 Confrontando il fascio di luce raccolto con quello inviato si ricostruisce il responso dell’analisi. [Immagine: James Archer/anatomyblue, tramite IEEE ]

Per trasformare la semplice fibra in una sonda chimico-biologico, nei pressi dell’estremità vengono depositate molecole reagenti, le quali si saldano alla superficie. Ciò che ne consegue è che in tale area la fibra presenterà proprietà di riflessione e assorbimento della luce distinte (per essere più precisi, l’indice di rifrazione del materiale cambia). Essendo nota la composizione dei reagenti deposti, si conosce anche la maniera in cui tali proprietà cambiano. Nel momento in cui la cima della fibra viene messa in contatto con le sostanze biologiche da analizzare, una serie di reazioni chimiche modificano ancora una volta la composizione della superficie della sonda e, di conseguenza, le sue proprietà di riflessione della luce.

A questo punto per poter “leggere” tali variazioni, che sono l’impronta delle molecole presenti sulla superficie della sonda, e quindi contengono l’informazione di interesse (il responso dell’analisi clinica), è necessario colpire precisamente tale area della fibra con radiazioni luminose di lunghezze d’onda note.

A tal fine, si modifica la struttura del nucleo della fibra per generare al suo interno una griglia di rifrazione della luce, ossia una sorta di rete di piccoli specchi inclinati, i quali riflettono solo una parte delle radiazioni luminose (dette “risonanti”) in direzione della parete esterna della fibra, dove sono depositate le sostanze reagenti.

Tutti i fasci di luce sono riflessi verso l’origine, ossia in direzione dell’estremo iniziale della fibra, dal quale è stata inviata la radiazione luminosa. Qui la luce raccolta viene analizzata con uno spettrometro, che distingue le varie lunghezze d’onda, e confrontata con il fascio inviato inizialmente. Da questo confronto si risale alla concentrazione di varie molecole sulla superficie della fibra e si ricostruisce il responso dell’analisi.

Le possibili applicazioni di una simile sonda sono varie e straordinarie: a partire da semplici analisi del sangue di routine, al rilevamento di piccole variazioni nei componenti del DNA. La possibilità di effettuare un accurato esame genetico potrebbe portare a diagnosticare per tempo fibrosi cistica, tumori e alcune infezioni.

Lab on fiber utilizzato per osservare la crescita di cellule vive di pelle: fotografia effettuata con microscopio a fluorescenza. [Fotografia: Yanina Shevchenko and Gulden Camci-Unal/Harvard University]

Lab on fiber utilizzato per osservare la crescita di cellule vive di pelle: fotografia effettuata con microscopio a fluorescenza. [Fotografia: Yanina Shevchenko and Gulden Camci-Unal/Harvard University]

Monitorare cellule viventi

Questo micro-laboratorio di analisi su fibra può essere utilizzato anche per monitorare cellule viventi e l’ambizioso obiettivo che vari ricercatori stanno cercando di raggiungere è quello di sviluppare piccoli sistemi di analisi di questo tipo, che possano essere inseriti direttamente nel corpo umano, in modo da osservare i cambiamenti biologici nel momento stesso in cui avvengono.

Le piccole dimensioni, la compattezza del sistema e i costi ridotti permetteranno di impiegare il lab on a fiber in situazioni difficili, come nei paesi in via di sviluppo e in zone di guerra.

Kit per farsi da soli alcune analisi potrebbero addirittura essere venduti in farmacia.

Per arrivare a ciò però restano ancora alcune questioni da risolvere, prima fra tutte trovare il modo di rendere queste sonde conservabili per mesi, senza che la sostanza depositata sulla superficie della fibra si alteri. Gli ostacoli tecnologici più complessi, però, appaiono già superati.