Un design per la vita: micromanipolazione ispirata ai tessuti per promuovere la biomedicina

Una serie di progressi nel campo della biotecnologia si basa sulla capacità di manipolare la biologia a livello microscopico. Questi settori però, che si basano su una destrezza ottimale e sulla conformità dei materiali, incontrano ostacoli significativi per la realizzazione del loro pieno potenziale. Per esempio, per afferrare cellule e tessuti per la microchirurgia in genere ci si affida alla potenza di aspirazione delle micropipette, con il rischio di causare danni dovuto al loro design rigido e alla scarsa o assente capacità di controllarne la forza. Inoltre i dispositivi microrobotici azionati da motori elettrici o sistemi pneumatici sono spesso ingombranti, pesanti, rumorosi e, quando si usano per interfaccia con esseri umani, danno una sensazione di artificialità all’utente.

Il progetto POLYACT, finanziato dall’UE, si proponeva di affrontare questi limiti mediante la microfabbricazione di microattuatori polimerici. Esercitando potenza nello stesso modo di quella di muscoli e motori, questi attuatori se modellati potrebbero essere usati per micromanipolazioni leggere e flessibili applicate a diversi compiti. Gli attuatori di dimensioni microscopiche sono più piccoli della tecnologia esistente di 1-2 ordini di grandezza.

Produzione su piccola scala

POLYACT ha potuto sviluppare, fabbricare e valutare due generazioni di microattuatori morbidi e flessibili e due nuovi metodi di fabbricazione. Il team ha prima fabbricato milli-attuatori su pellicola sottile con elettrolita polimerico solido in polivinilidenfluoruro (PVDF SPE) controllati singolarmente, ma ha scoperto che senza una conduttività ionica abbastanza alta, non si otteneva la flessibilità necessaria. Il team ha quindi ridisegnato il layout dell’attuatore e ha provato alternative al PVDF SPE, a questo fine le reti polimeriche interpenetranti (IPN) si sono rivelate il candidato più promettente. Il team ha dovuto anche adattare la tecnica di modellazione di elettrodi polimerici altamente conduttivi, passando da un approccio a base metallica e quello che usa strati polimerici conduttivi elettronici, che sono stati sintetizzati in modo elettrochimico. Gli attuatori così ottenuti avevano bisogno solo di una piccola quantità di energia elettrica, di appena 20-30 mW, e di potenziali bassi (~1-2 V); il che permette di controllare singolarmente questi strumenti di micromanipolazione, che trasportano una loro fonte di energia.

All’inizio del progetto il team ha sottolineato il contributo che il progetto POLYACT offre alla biomedicina interna. È stata citata la sua applicazione in interventi biomedici come otturatori ottici e diaframmi, ma specialmente per l’uso di tecnologie micro robotiche controllate a distanza dentro il corpo di un paziente, perché riduce il rischio di traumi causati dalla chirurgia. La tecnologia della manipolazione morbida però promette un più ampio cambiamento grazie alla sua caratteristica di accoppiare meglio la struttura e la consistenza di oggetti biologici, rispetto alle alternative disponibili.

Ritorno al futuro con i testuatori

L’anno scorso i membri del team del progetto hanno pubblicato un articolo sulla rivista Science Advances che spiegava che fabbricare attuatori modellati era un processo che poteva essere paragonato alla produzione di tessuti, hanno quindi deciso di chiamare le loro creazioni “testatori”. Questo paradigma ha permesso al team di utilizzare conoscenze del settore della produzione di tessuti circa le proprietà relative, come la resistenza, la flessibilità e la tensione, a seconda di come questo è tessuto o intrecciato. Una volta appurata la fattibilità della fabbricazione di massa, la tecnologia POLYACT promette una serie di applicazioni di interfaccia con gli esseri umani.

L’articolo su Science Advances sottolinea le innovazioni del settore dei dispositivi assistivi come indumenti tipo esoscheletro, nascosti sotto i vestiti, con attuatori indossabili integrati che danno una sensazione naturale e realistica. Qui i testuatori potrebbero offrire funzioni muscolari, aiutando le persone con limitazioni di movimento, come gli anziani o le persone disabili. In futuro, il team parla di aggiungere “fili percettivi nel tessuto” che permetterebbero un meccanismo di feedback il quale incrementerebbe il controllo dell’utente.

Per maggiori informazioni, consultare:
Pagina del progetto su CORDIS