Un dispositivo ingeribile in idrogel ispirato al pesce palla

In una recente ricerca pubblicata in Nature Communications, gli ingegneri del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno illustrato come, utilizzando due tipi di idrogel,  sia possibile realizzare un dispositivo in grado di monitorare a lungo termine diversi disturbi del tratto gastrointestinale in modo non invasivo. Il dispositivo può essere ingerito come una semplice pillola e, una volta raggiunto lo stomaco, può gonfiarsi rapidamente sino a raggiungere le dimensioni di una pallina da ping-pong.

Per realizzare il design del dispositivo, i ricercatori si sono ispirati al pesce palla, noto per la sua capacità di gonfiarsi notevolmente in caso di pericolo.

I vantaggi degli idrogel

Gli idrogel sono reticoli polimerici tridimensionali idrofili in grado di assorbire ingenti quantità d’acqua. Caratteristiche come la porosità, la flessibilità, la consistenza morbida e, soprattutto, la biocompatibilità rendono gli idrogel molto simili ai tessuti umani. Per tale motivo questi materiali sono dei candidati ideali per svariate applicazioni biomediche.

Lo scopo dei ricercatori del MIT era quello di realizzare un dispositivo che fosse in grado di rimanere nello stomaco per un periodo relativamente lungo allo scopo di monitorare i segni vitali ed eventuali stati patologici del tratto gastrointestinale. L’utilizzo degli idrogel ha consentito di ottenere un sensore più flessibile, più biocompatibile e più resistente rispetto agli attuali dispositivi ingeribili, che sono solitamente realizzati in materiali rigidi e non biodegradabili.

Una combinazione vincente

In fase di progettazione, i ricercatori si resero conto che se il dispositivo fosse stato abbastanza piccolo da poter essere ingerito e passare attraverso l’esofago, sarebbe stato anche abbastanza piccolo da poter passare attraverso il piloro, l’orifizio tramite il quale lo stomaco comunica con il duodeno. Per evitare la prematura fuoriuscita del sensore era dunque necessario progettarlo in modo che potesse gonfiarsi rapidamente una volta raggiunto lo stomaco.

Per ottenere i risultati desiderati i ricercatori hanno utilizzato delle particelle superassorbenti di poliacrilato di sodio incapsulate all’interno di una membrana costituita da un particolare idrogel resistente a fatica. Questo strato protettivo presenta una moltitudine di catene nonoscopiche e cristalline ripiegate l’una sull’altra e risulta praticamente impenetrabile. Tale combinazione rende il dispositivo morbido ma allo stesso modo molto resistente. Ad ispirare questo design è stato al meccanismo di difesa del pesce palla, che si gonfia quando avverte una minaccia.

La pillola in idrogel può rimanere all’interno dello stomaco del paziente per più di un mese e può essere successivamente rimossa in totale sicurezza semplicemente bevendo una soluzione di ioni di calcio che la induce a ridurre le proprie dimensioni.

I test

Per testare la capacità di swelling (ovvero di rigonfiamento), i ricercatori hanno immerso la pillola in diverse soluzioni simili ai succhi gastrici e hanno osservato che era in grado di gonfiarsi sino ad una dimensione 100 volte maggiore rispetto a quella iniziale in soli 15 minuti.

Il seguito la pillola è stata compressa con forze superiori a quelle a cui sarebbe sottoposta all’interno dello stomaco.

Lo stomaco applica da migliaia a milioni di cicli di carico per macinare il cibo. Abbiamo scoperto che anche quando produciamo un piccolo taglio nella membrana e poi stiriamo il dispositivo e lo spremiamo migliaia di volte, il taglio non aumenta. Il nostro design è molto robusto.

Spiega Shaoting Lin, uno degli autori dello studio.

Infine, i ricercatori hanno incorporato dei piccoli sensori di temperatura all’interno del dispositivo e hanno effettuato dei test sui maiali. I risultati hanno dimostrato che il sensore era in grado di monitorare con precisione l’attività gastrointestinale degli animali fino a 30 giorni.