Elettrodi morbidi e stampati in 3D, modellati sulle scansioni MRI di ogni paziente, promettono di rivoluzionare il monitoraggio cerebrale grazie a un adattamento preciso ai giri e solchi della corteccia
Sensori cerebrali stampati in 3D: la nuova via per un monitoraggio neurale personalizzato.
Elettrodi morbidi progettati per adattarsi perfettamente alla superficie del cervello di una persona potrebbero contribuire a far progredire le interfacce neurali per il monitoraggio e il trattamento delle malattie neurodegenerative, secondo un nuovo studio guidato da ricercatori della Penn State. Le interfacce neurali sono alimentate da minuscoli sensori capaci di tracciare segnali biofisici, noti come bioelettrodi. Questi sensori sono solitamente realizzati con materiali rigidi e con un design “taglia unica” che fatica ad adattarsi alla complessa struttura del cervello. I ricercatori hanno creato un nuovo approccio alla stampa 3D di bioelettrodi in grado di allungarsi e modificarsi per adattarsi alle piccole differenze che rendono ogni cervello unico.
Il team ha utilizzato un software per simulare cervelli dettagliati basati su scansioni MRI di 21 pazienti umani, modellando una serie di elettrodi su misura per le specifiche strutture cerebrali prima di stampare in 3D gli elettrodi e i modelli dei cervelli. In un articolo pubblicato su Advanced Materials (1), hanno riportato che i loro elettrodi si adattano meglio alla struttura del cervello rispetto ai design tradizionali, pur rimanendo efficaci e biologicamente compatibili, anche nei test condotti sui ratti.
Le pieghe nel cervello umano sono create attraverso un processo noto come girificazione, in cui il foglio corticale sulla parete esterna del cervello si raggruppa formando creste (circonvoluzioni cerebrali o giri) e solchi (fessure sulla superficie del cervello che separano i giri). Questo aiuta le cellule in tutto il cervello a comunicare ad alta velocità e permette a un organo relativamente grande di adattarsi in modo compatto nel cranio - un cervello adulto disteso occuperebbe circa 2.000 centimetri quadrati (2), ovvero all’incirca le dimensioni di due grandi pizze.
Il dottor Tao Zhou (3), assistente professore di scienza e meccanica dell’ingegneria e autore corrispondente dell’articolo, dice: «Sebbene le principali pieghe corticali siano coerenti tra gli individui, la disposizione precisa dei giri e dei solchi del cervello cambia in modo sostanziale da persona a persona. Tuttavia, i design tradizionali dei bioelettrodi non tengono conto di questo. Ogni persona ha una struttura cerebrale diversa, a seconda della sua altezza, peso, età, sesso e altro ancora», continua Zhou, che ha anche un’affiliazione in ingegneria biomedica e presso il centro per l’ingegneria neurale della Penn State. «Nonostante ciò, cerchiamo di adattare le interfacce neurali ai cervelli come se avessero strutture identiche. Questo ci ha motivati a creare elettrodi su misura per ogni individuo, basati sulla struttura del loro cervello. Gli elettrodi sono costruiti principalmente con un materiale ricco d’acqua noto come idrogel, per adattarsi meglio ai tessuti molli e alla geometria specifica del cervello di ciascun paziente. Inoltre, il team ha utilizzato una nuova struttura ispirata a un favo, che offre flessibilità e resistenza, pur rimanendo economica e rapida da stampare. La struttura a nido d’ape ci aiuta a ridurre in modo significativo la rigidità degli elettrodi, senza sacrificare la loro resistenza meccanica. Inoltre, la struttura ci aiuta a ridurre la quantità complessiva di materiale utilizzato durante la fabbricazione, riducendo tempi di produzione, costi e impatto ambientale».
La produzione inizia con una scansione MRI del cervello di un paziente, utilizzata per condurre un’analisi agli elementi finiti - un processo che crea una simulazione dettagliata della struttura neurale di una persona. Questa analisi viene poi trasformata in un modello 3D del cervello del paziente, sul quale il team utilizza un software per modellare un bioelettrodo specificamente conformato per adattarsi alle creste e ai solchi della corteccia cerebrale.
Dopo la modellazione, il team stampa in 3D l’elettrodo in idrogel utilizzando la tecnica della stampa a inchiostro diretto, una metodologia che può creare elettrodi capaci di monitorare e trasmettere segnali cerebrali su una superficie relativamente piccola. Per questo studio, il team ha stampato in 3D modelli dei cervelli di 21 diversi partecipanti, applicando i loro elettrodi e misurando fisicamente con quanta precisione gli elettrodi potessero adattarsi alla superficie cerebrale. Zhou ha spiegato che gli approcci tradizionali di fabbricazione richiedono strutture specializzate come le camere bianche, rendendo estremamente costosa la personalizzazione - la stampa 3D permette al team di personalizzare e produrre elettrodi molto più rapidamente, a una frazione del costo.
Rispetto agli approcci tradizionali, gli elettrodi a base di idrogel seguono la struttura del cervello in modo più preciso. Zhou ha affermato che il loro approccio produce elettrodi che mostrano una connettività quasi perfetta ai segnali elettrici presenti nel cervello. Inoltre, poiché il gel elastico è così malleabile, può essere applicato al tessuto cerebrale morbido senza causare danni, a differenza dei materiali rigidi utilizzati in altri design che potrebbero danneggiare il tessuto.
Secondo Zhou, la morbidezza dei loro elettrodi consente un contatto più stretto e stabile con il cervello, facilitando così un monitoraggio di qualità superiore e più affidabile. Inoltre, i bioelettrodi realizzati con questo approccio non influenzano il trasporto dei fluidi attorno al cervello, un aspetto fondamentale della funzione cerebrale che molti elettrodi tradizionali compromettono.
Il dottor Tao Zhou racconta: «Personalizzare gli elettrodi in base alla struttura specifica del cervello migliora sostanzialmente la loro affidabilità. Poiché si conformano meglio al cervello, la qualità del segnale stesso è significativamente migliorata. Per studiare ulteriormente i loro elettrodi, il team li ha applicati sui cervelli di modelli di ratto per un periodo di 28 giorni. I ratti non hanno mostrato alcuna risposta immunitaria agli elettrodi stampati, un aspetto fondamentale nello sviluppo di biodispositivi. Inoltre, gli elettrodi non hanno mostrato degradazione delle prestazioni, pur offrendo letture sensibili e accurate dei segnali elettrici e fisiologici nel cervello».
Inoltre, il professor Zhou ritiene che questo metodo di stampa possa fungere da struttura di riferimento per la produzione su scala commerciale di bioelettrodi personalizzati per specifici pazienti. Sebbene questi sistemi siano tradizionalmente utilizzati per monitorare l’attività neurale, il team prevede di esplorare come gli elettrodi personalizzati possano contribuire ai trattamenti neurologici. Egli aggiunge questa chiosa: «Stiamo cercando di migliorare ulteriormente questa tecnologia per ottimizzare gli elettrodi nel monitoraggio di malattie specifiche. In futuro, ci piacerebbe davvero lavorare con i pazienti per vedere come questo approccio potrebbe supportare il monitoraggio cerebrale e il trattamento delle malattie in contesti clinici».
Altri coautori affiliati alla Penn State includono Nanyin Zhang, professore di ingegneria biomedica e Dorothy Foehr Huck e J. Lloyd Huck Chair in Brain Imaging; Sulin Zhang, professore di scienze ingegneristiche e meccaniche e di ingegneria biomedica; i dottorandi in ingegneria e meccanica Marzia Momin, Luyi Feng, Salahuddin Ahmed e Jiashu Ren; i dottorandi in ingegneria biomedica Xiaoai Chen, Hyunjin Lee e lo studioso post-dottorato Samuel R. Cramer; il dottorando in ingegneria meccanica Xinyi Wang; Basma AlMahood, una studentessa universitaria che studiava fisica al momento della ricerca e che ora è dottoranda in fisica presso la Michigan State University; e Li-Pang Huang, un assistente di ricerca. Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation degli Stati Uniti e dal National Institutes of Health. Alla Penn State, i ricercatori stanno risolvendo problemi reali che influiscono sulla salute, sulla sicurezza e sulla qualità della vita delle persone nel Commonwealth, nella nazione e in tutto il mondo.
Riferimenti:
(1) 3D-Printable, Honeycomb-Inspired Tissue-Like Bioelectrodes for Patient-Specific Neural Interface
(2) Chapter 1The Anatomy of the Cerebral Cortex
(3) Tao Zhou
Descrizione foto: I bioelettrodi morbidi utilizzano un design ispirato al nido d’ape che consente ai ricercatori di allungarli sulla geometria specifica del cervello di un paziente, senza sacrificare la forza strutturale o la sensibilità ai segnali elettrici e fisiologici. - Credit: Provided by Tao Zhou.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: 3D-printed brain sensors may unlock personalized neural monitoring