Questi tatuaggi temporanei sono la nuova frontiera delle biointerfacce

Si può capire molto su quello che accade all'interno del corpo umano attraverso la pelle. Ad esempio, l'attività elettrica del cuore comporta delle piccole variazioni di natura elettrica a livello epidermico che possono essere osservate attraverso l'elettrocardiografia. L'elettromiografia, invece, rivela l'attività elettrica dei muscoli, che possono restituire indizi di malattie neuromuscolari. L'elettroencefalografia (EEG), infine, consente di esplorare il funzionamento del cervello. Tutti questi sono strumenti potenti, ma ognuno di questi comporta l'applicazione di strumenti ingombranti e invasivi in un ospedale.

In un paper pubblicato su Nature Nanotechnology, Akihito Miyamoto e i suoi colleghi offrono un'alternativa agli strumenti precedenti sotto forma di reti ultrasottili che si integrano direttamente con la superficie della pelle, consentendone la regolare traspirazione e sudarazione. Uso medico da parte, la nuova tecnologia nanomesh costituisce un avanzamento cruciale nel campo dei wearable, fornendo un'interfaccia senza soluzione di continuità tra la pelle e le device elettroniche.

Il nanomesh di Miyamoto è il primo esempio di interfaccia applicabile sulla pelle. Negli ultimi anni, vari sensori luminosi e biochimici sono stati inseriti sotto l'epidermide per svariati scopi, tra cui creare dei display cutanei, sensori elettrici, chimici e fisici . Alcune implementazioni sono state progettate persino per un uso a lungo termine, offrendo ad esempio la possibilità di creare interfacce cerebrali che si avvalgono di elettrodi morbidi e pieghevoli .

Una grande limitazione di tentativi precedenti era la necessità di un sottile substrato di base che collegasse l'elettronica alla pelle. I substrati costituiscono un limite per diversi motivi, tra cui la loro morbidezza, il peso e la permeabilità ai gas perché non consentono alla pelle di traspirare al meglio.

La rete nanomesh descritta nel nuovo paper offre un'interfaccia senza substrato. Questa è l'innovazione. È realizzata in alcool polivinilico (PVA), un polimero sintetico idrosolubile già utilizzato in diverse applicazioni mediche. Il risultato è permeabile ai gas, non blocca le ghiandole sudorifere ed è abbastanza flessibile da essere indossato per lunghi periodi senza causare disagio

"I sensori di tocco, temperatura e pressione posizionati sulle dita sono connessi tramite la micro-rete con un sistema di tessuto elettronico che utilizza un modulo wireless," spiegano sul paper.

Il gruppo di Miyamoto ha eseguito degli esperimenti in cui le patch venivano indossate per una settimana senza infiammazioni. Inoltre, la maglia è in grado di mantenere la sua conducibilità elettrica anche dopo essere stata allungata e flessa fino a 10.000 volte.

"Il nostro sensore che non provoca infiammazioni può essere utilizzato per il monitoraggio continuo di segnali vitali in normali condizioni quotidiane per lunghi periodi di tempo," spiegano Miyamoto e co.

Il modo migliore per comprendere la nuova nano-struttura è probabilmente quello di osservarla direttamente (vedi sopra.) Per prima cosa, le fibre PVA vengono create attraverso un processo chiamato elettrospinning. Fondamentalmente, si tratta di ottenere dei sottili filamenti di materiale polimerico a partire da una soluzione chimica utilizzando la forza elettrica. (È un processo molto interessante, anche se si spinge un po' oltre rispetto all'ambito di questo post.) Le fibre di polimero vengono poi modellate e rivestite da un sottile strato d'oro. Infine, la rete risultante viene apposta sopra una porzione di pelle e spruzzata con dell'acqua. Il PVA si scioglie, lasciando spazio solo ai fili intrecciati di oro. Così, il substrato sparisce.

Per testare le loro nanomesh, il team di Miyamoto ha realizzato un sistema costituito da sensori da applicare sulla punta delle dita connessi a un guanto senza dita contenente una batteria e un modulo wireless, connesso a sua volta ad un computer portatile. Quando la resistenza elettrica del nanomesh a contatto con la punta delle dita cambiava entrando in contatto con una piastra metallica, i dati risultanti venivano trasmessi al computer portatile. Negli ulteriori test, le nanoreti hanno sostituito con successo gli elettrodi nel monitoraggio EMG.

Non è del tutto folle immaginare un'interfaccia simile venga sfruttata non solo a contatto con la pelle ma anche inserita all'interno del corpo, monitorando direttamente gli organi interni in questo modo. Ci sono anora tante sfide da superare, come la costruzione di un nanorete simile che resista anche ai danni fisici e chimici che possono verificarsi naturalmente.