Colmare il divario tra l’elettronica e i tessuti biologici
Visto il rapido progresso dell’elettronica miniaturizzata e data la comprensione sempre migliore della scienza del cervello, è solo questione di tempo prima che i due settori convergano. «L’integrazione perfetta dell’elettronica con i sistemi viventi, anche nota come bioelettronica, permetterà non solo di migliorare la comprensione della biologia di base, ma anche di ridefinire la diagnostica e le terapie mediche», afferma Juan Liu, ricercatrice presso l’Università di Oxford e borsista Marie Skłodowska-Curie. Il problema è che la maggior parte dei dispositivi bioelettronici attualmente è costruita con componenti elettroniche rigide e asciutte, e manca di caratteristiche biologiche. «Le differenze tra i tessuti biologici e i componenti elettronici prodotti dall’essere umano costituiscono un grande ostacolo all’utilizzo di dispositivi bioelettronici», aggiunge Liu. Con il sostegno del progetto ENERGSYNTISSUE, finanziato dall’UE, Liu intende contribuire a colmare tale divario tra il biologico e l’elettronico.
Utilizzo di reti di gocce
Secondo Liu, esistono diverse importanti distinzioni tra i tessuti biologici e i componenti elettronici artificiali. Ad esempio, i tessuti naturali sono composti da cellule contenute in una matrice extracellulare (MEC). Poiché la natura delle cellule e le caratteristiche della MEC variano tra i diversi organi, il risultato è un’ampia varietà di rigidità, topografie e complessità. Inoltre, i componenti elettronici di produzione umana fanno affidamento sugli elettroni per trasmettere le informazioni, mentre le attività bioelettroniche del corpo utilizzano ioni. «Alla luce di tali differenze, la bioelettronica deve adottare i principi della biologia, così che i dispositivi possano funzionare in maniera sinergica con i tessuti e gli organi viventi», osserva Liu. Un modo per farlo è utilizzare tessuti sintetici prodotti da reti di gocce, formati da compartimenti acquosi separati da doppi strati lipidici. «Tra tutti i materiali sintetici, le reti di gocce sono quelle che si avvicinano maggiormente ai tessuti naturali, specialmente per quanto riguarda le proprietà meccaniche», aggiunge Liu. In tali tessuti, ogni goccia rappresenta una cellula semplificata, in cui le informazioni vengono scambiate internamente tra i compartimenti e con l’ambiente esterno. «Ad esempio, incapsulando gli enzimi con i compartimenti, le cellule sintetiche possono ricevere ed elaborare i segnali biologici», spiega Liu.
Verso tessuti sintetici che generino energia
Unendo tali progressi nell’ambito delle cellule sintetiche basate sulle reti di gocce, Liu ha creato un’elettronica simile ai tessuti e in grado di generare energia. «Siamo riusciti a progettare e a costruire la prima biobatteria sostenibile basata sulle reti di gocce, nella quale i circuiti elettrici e le funzioni elettroniche fondamentali avvengono all’interno di componenti biologici», osserva Liu. La ricercatrice ha inoltre provato che le due reazioni enzimatiche che si svolgono nelle diverse gocce possono generare corrente su scala di nanoampere e un potenziale di 720 mV; la batteria più semplice utilizzata è composta da sole due gocce e misura solo 480×680 μm2. Inoltre, il potenziale elettrico creatosi tra due gocce diverse può causare movimenti direzionali delle molecole, i quali possono contribuire alla creazione di segnali complessi e ortogonali all’interno dei tessuti sintetici, aumentando la complessità e migliorando il funzionamento del sistema. «La nostra batteria a gocce è in grado di generare correnti sia ioniche che elettriche, e offre la possibilità di produrre diversi segnali elettrici basati su caratteristiche ambientali, come la temperatura e il livello di NADH», afferma Liu. Secondo la ricercatrice, questa svolta potrebbe colmare il divario tra le attività biologiche e l’elettronica tradizionale. «Grazie a questo lavoro stiamo aprendo la strada allo sviluppo di nuove diagnosi e trattamenti per patologie come la malattia cardiovascolare, la malattia neurodegenerativa, la cecità, il cancro, il diabete e l’asma», conclude Liu.
Parole chiave
ENERGSYNTISSUE, elettronica, tessuti biologici, reti di gocce, tessuti sintetici, bioelettronica, matrice extracellulare, biologia, biobatteria
