Il futuro dei sensori elettronici ingeribili

Il settore di ricerca legato all’elettronica commestibile è in espansione. L’idea che permetterà di equipaggiare pillole e compresse con sensori elettronici commestibili e renderle, così, intelligenti è stata messa a punto nei laboratori del CNST, il Center of Nano Science and Technology dell’Istituto Italiano di Tecnologia di Milano, da una squadra guidata da Mario Caironi e Guglielmo Lanzani. Mario Caironi, coordinatore del laboratorio di Printed and Molecular Electronics del Centro di Iit a Milano, ha vinto un finanziamento in merito al suo progetto denominato ELFO, ovvero ELectronic FOod, da parte del Consiglio europeo della ricerca (ERC). Il progetto è nato a settembre 2020 e prevedono, entro l’agosto del 2025, di portare importanti innovazioni, progettando una nuova tecnologia abilitante per sistemi elettronici ingeribili rivoluzionari.

Sensori elettronici commestibili

È importante sottolineare il loro essere commestibile. Infatti, i sensori elettronici ingeribili sono dispositivi biocompatibili con il nostro corpo, senza rischi per la salute, un nuovo modo di vedere l’elettronica. Tali sensori elettronici commestibili rappresentano una vera sfida a livello ingegneristico. Essi, infatti, non dovrebbero solo utilizzare il miglior processore, ma anche essere di dimensioni molto ridotte, biocompatibili, sicuri ed estremamente affidabili in merito alla loro non tossicità. Il concetto di elettronica ingeribile risale però agli anni 50 e i primi dispositivi furono radio pillole ingeribili, dotate di circuiti in grado di trasmettere informazioni all’esterno. Poco prima era stato solamente inventato il transistor.

Importanza dei sensori ingeribili

Da subito si è capito che poter ingerire sensori elettronici poteva dare uno sguardo privilegiato sul nostro corpo per monitorare la salute di un paziente. Un ulteriore sviluppo è arrivato agli inizi degli anni 2000 quando la tecnologia ha messo a disposizione l’ottica integrata. Hanno, infatti, sviluppato dei veri e propri sistemi elettronici ed ottici per fare, ad esempio, delle endoscopie. Questi oggetti prevedono una somministrazione supervisionata da personale qualificato. In particolare, questo tipo di sensori elettronici ingeribili ha il compito di eseguire un’immagine diagnostica del tessuto del tratto gastrointestinale tramite nuclear-radiation imaging.

Sensori elettronici e app

Per cercare di soddisfare una più capillare somministrazione di questo tipo di elettronica ingeribile, intorno al 2008 una start-up americana, Proteus® Digital Health™ Inc., ha sviluppato un marcatore di eventi ingeribili (IEM). Una piattaforma tecnologica che può essere co-formulata con farmaci attivi composti in combinazioni farmaco/dispositivo, integrando la misurazione dell’aderenza ai farmaci nella farmacoterapia orale. L’IEM comunica l’aderenza al farmaco ad un dispositivo medico compatibile, come il sensore indossabile o patch.

Pillole “intelligenti”

Proteus è stato uno dei pionieri dell’elettronica ingestibile. Quasi dieci sistemi sanitari, ad oggi, usano la loro tecnologia. La loro soluzione comprende una pillola, un patch, che è attaccato all’esterno sul lato dello stomaco, e un portale per dispositivi mobili. La pillola è fatta di tutti i farmaci richiesti e dotata di un sensore fatto di materiali naturali e ingeribili, come rame, magnesio e silicio. Quando un paziente ingerisce la pillola, quest’ultima scende come una normale pillola fino a raggiungere lo stomaco e gli acidi contenuti nell’organo la attivano. Questo sensore invia un segnale digitale al patch, il quale misura anche la frequenza cardiaca il e tempo di rilevamento dei farmaci. Il digital health feedback system del telefono cellulare del paziente o del medico riceve, poi, questa informazione. L’assunzione regolare di farmaci è molto importante per coloro che subiscono trattamenti medici complessi come i trapianti di organi. Questa pillola può rivelarsi molto utile per questa classe di pazienti e non solo, anche per pazienti cronici e anziani (soprattutto con Alzheimer o malattie mentali invalidanti) a gestire le cure e permettere ai caregiver di monitorare il loro stato di salute.

Sensori elettronici per il cancro al colon-retto

Un altro esempio di applicazione di sensori elettronici ingeribili è il Check-Cap, che ha ricevuto nel 2018 l’approvazione CE dell’Unione Europea per il suo sistema C-Scan. Tale sistema si presenta come una tecnologia innovativa al servizio della salute per lo screening contro il cancro del colon-retto, contro la procedura invasiva della colonscopia e la sua preparazione. In particolare, il sistema C-Scan mira ad essere il primo dispositivo ingeribile in assoluto a rilevare i polipi del colon senza preparazione lassativa. Ciò è possibile perché la pillola C-Scan emette dosi molto basse di raggi-X che non richiedono che il colon sia pulito. In particolare, oltre alla pillola, il paziente deve essere equipaggiato di un track composto da tre patch miniaturizzati che vengono posti sulla sua schiena in modo tale da registrare e memorizzare le informazioni fornite dalla pillola C-Scan.

Il paziente ingerisce semplicemente la pillola insieme a un cucchiaio di un agente di contrasto e un supplemento di fibre ad ogni pasto e per 2-3 giorni può continuare a svolgere normalmente le sue abituali attività di routine, senza inficiare in alcun modo l’attività di C-Scan. Intanto, C-Scan continua a registrare dati in modo da ottenere una mappa 3D del rivestimento interno del colon. Il medico curante, attraverso un software predisposto dalla stessa azienda analizzerà, in seguito, l’immagine prodotta. Solo nel caso in cui si rilevi un polipo, che accade all’incirca nel 25% dei casi, il paziente deve procedere con una colonscopia.

Sicurezza dei sensori elettronici

Di nuovo, però, parliamo di chip di silicio che dopo essere stati ingeriti da milioni di persone finirebbero nelle acque nere. La sfida ingegneristica, quindi, è quella di agire sulla sicurezza di questi chip e sulla loro biodegradabilità. Per raggiungere tali obiettivi, si tendono a sfruttare proprietà elettroniche presenti nel cibo, passando da un’elettronica ingeribile ad un’elettronica di tipo commestibile ed è quello su cui Mario Caironi e il suo gruppo sta lavorando nel suo progetto ELFO. Hanno studiato conduttori, semiconduttori ed isolanti in modo da renderli inchiostri solubili, per essere processati, poi, con tecniche scalabili ad alto volume. Così facendo, hanno abbattuto anche i costi di produzione, così da renderli accessibili su vasta scala. In particolare, siamo nell’ambito della printed electronics: sfruttare materiali più facilmente biocompatibili sottoforma di inchiostri, con tecniche scalabili di stampa per realizzare circuiti logici in fattori di forme su substrati diversi a quelli a cui siamo abituati.

Come realizzare questi circuiti?

Si può andare in stampa diretta su oggetti 3D come per una capsula farmaceutica. L’approccio, però, che è stato sviluppato di più prevede l’impiego di semplicissima carta da tatuaggi usata, ad esempio, dai bambini. Questo tipo di carta ha un layer di amido, che viene disciolto in acqua, rilasciando un sottilissimo strato di etilcellulosa (substrato edibile). Hanno, poi, utilizzato questo substrato per stampare i loro circuiti, utilizzando anche materiali compatibili con l’apparato digerente umano. Per i conduttori, si è optato per materiali come argento, oro o carbonio attivo in modiche quantità; per i semiconduttori, invece, il betacarotene. Grazie al fatto che si sta utilizzando un tatuaggio, è possibile poi trasferire i circuiti su oggetti edibili. Questi circuiti mantengono la funzionalità elettronica nel trasferimento, aspetto fondamentale da tenere in considerazione.

A che punto è la ricerca

La domanda fondamentale per quanto riguarda l’elettronica ingeribile e commestibile è quale sia l’impatto a lungo termine che i materiali impiegati hanno sul paziente. La ricerca si sta incentrando su questo aspetto e anche sulla miniaturizzazione dei circuiti e sulla realizzazione di sistemi più complessi in grado di svolgere molteplici funzioni. Insomma, la tecnologia è a buon punto con i sensori elettronici ingeribili, ma ci sono ancora molti aspetti da approfondire.

Articolo a cura di Sara Kasa