Sviluppato un dispositivo portatile lab-on-a-chip, che misura la conduttività elettrica del sangue per valutare i parametri sanitari e trasformare l’assistenza sanitaria facilitando test non invasivi in tempo reale
I disordini metabolici, come il diabete e l’osteoporosi, stanno proliferando in tutto il mondo, soprattutto nei paesi in via di sviluppo. La diagnosi per questi disturbi è in genere un esame del sangue, ma poiché l’infrastruttura sanitaria esistente nelle aree remote non è in grado di supportare questi test, la maggior parte delle persone non viene diagnosticata e non riceve trattamento. I metodi convenzionali implicano anche processi invasivi e ad alta intensità di manodopera che tendono a richiedere molto tempo e rendono impossibile il monitoraggio in tempo reale, in particolare in contesti di vita reale e nelle popolazioni di campagna.
I ricercatori dell’University of Pittsburgh e dell'University of Pittsburgh Medical Center stanno proponendo un nuovo dispositivo che utilizza il sangue per generare elettricità e misurarne la conduttività, aprendo le porte alle cure mediche in qualsiasi luogo. Il nuovo dispositivo è descritto in un articolo pubblicato da Advanced Materials (1).
«Mentre i campi della nanotecnologia e della microfluidica continuano ad avanzare, c’è una crescente opportunità di sviluppare dispositivi lab-on-a-chip in grado di aggirare i vincoli della moderna assistenza medica», ha affermato il dottor Amir H. Alavi (2), assistente professore di ingegneria civile e ambientale presso Pitt's Swanson School of Engineering. «Queste tecnologie potrebbero potenzialmente trasformare l’assistenza sanitaria offrendo una diagnostica rapida e conveniente, migliorando in definitiva i risultati dei pazienti e l’efficacia dei servizi medici».
Ora, abbiamo buon sangue
La conduttività elettrica del sangue è un parametro prezioso per valutare vari parametri di salute e rilevare condizioni mediche.
Questa conduttività è prevalentemente governata dalla concentrazione di elettroliti essenziali, in particolare ioni sodio e cloruro. Questi elettroliti sono parte integrante di una moltitudine di processi fisiologici, aiutando i medici a individuare una diagnosi.
«Il sangue è fondamentalmente un ambiente a base d'acqua contenente varie molecole che conducono o impediscono le correnti elettriche», ha spiegato il dottor Alan Wells (3), direttore medico degli UPMC Clinical Laboratories, vicepresidente esecutivo della sezione di medicina di laboratorio dell'Università di Pittsburgh e UPMC, e Thomas Gill III Professore di Patologia, Pitt School of Medicine, Dipartimento di Patologia. «Il glucosio, ad esempio, è un conduttore elettrico. Siamo in grado di vedere come influisce sulla conduttività attraverso queste misurazioni. Ciò ci permette di fare una diagnosi sul posto».
Nonostante la sua vitalità, la conoscenza della conduttività del sangue umano è limitata a causa delle sfide legate alla misurazione, come la polarizzazione degli elettrodi, l’accesso limitato ai campioni di sangue umano e le complessità associate al mantenimento della temperatura del sangue. Misurare la conduttività a frequenze inferiori a 100 Hz è particolarmente importante per ottenere una comprensione più profonda delle proprietà elettriche del sangue e dei processi biologici fondamentali, ma è ancora più difficile.
Un laboratorio tascabile
Il gruppo di ricerca propone un innovativo dispositivo lab-on-a-chip nanogeneratore millifluidico portatile in grado di misurare il sangue a basse frequenze. Il dispositivo utilizza il sangue come sostanza conduttiva all'interno del suo nanogeneratore triboelettrico integrato, o TENG. Il sistema TENG basato sul sangue proposto può convertire l’energia meccanica in elettricità tramite triboelettrificazione.
Questo processo comporta lo scambio di elettroni tra i materiali a contatto, con conseguente trasferimento di carica. In un sistema TENG, il trasferimento di elettroni e la separazione di carica generano una differenza di tensione che guida la corrente elettrica quando i materiali subiscono un movimento relativo come compressione o scorrimento. Il team analizza la tensione generata dal dispositivo in condizioni di carico predefinite per determinare la conduttività elettrica del sangue. Il meccanismo di autoalimentazione consente la miniaturizzazione del nanogeneratore a base di sangue proposto. Il team ha anche utilizzato modelli di intelligenza artificiale per stimare direttamente la conduttività elettrica del sangue utilizzando i modelli di tensione generati dal dispositivo.
Per testarne l'accuratezza, il team ha confrontato i risultati con un test tradizionale che si è rivelato positivo. Ciò apre la porta alla possibilità di portare i test dove vivono le persone. Inoltre, i nanogeneratori alimentati dal sangue sono in grado di funzionare nel corpo ovunque sia presente il sangue, consentendo la diagnostica autoalimentata utilizzando la chimica del sangue locale.
Altri ricercatori su questo progetto includono: Jianzhe Luo, PhD Candidate, University of Pittsburgh; Wenyun Lu, PhD Candidate, University of Pittsburgh; Daeik Jang, Postdoctoral Associate, University of Pittsburgh; Qianyun Zhang, Civil engineering professor, New Mexico State University; Wenxuan Meng, PhD Candidate, University of Pittsburgh.
Riferimenti:
(2) Amir H. Alavi
(3) Alan Wells
Descrizione foto: Sviluppato un dispositivo portatile lab-on-a-chip che utilizza il sangue per generare elettricità, consentendo la diagnosi sul posto. Questa tecnologia, che misura la conduttività elettrica del sangue, può valutare i parametri sanitari e può trasformare l’assistenza sanitaria facilitando test non invasivi in tempo reale. - Credit: University of Pittsburgh Medical Center.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Novel Blood-Powered Chip Offers Real-Time Health Monitoring