Materiali biomedici biocompatibili ed ecologici
I sistemi microelettromeccanici (MEMS, Micro-Electro-Mechanical System) sono dispositivi miniaturizzati che integrano componenti elettrici e meccanici. La loro capacità unica di percepire e manipolare i sistemi biologici su microscala li ha resi applicabili nella ricerca biomedica e nella pratica clinica. I dispositivi biomedici basati sui MEMS includono sensori di pressione per la misurazione della pressione intracranica, sanguigna e intraoculare. I MEMS vengono incorporati anche negli accelerometri impiegati per misurare il movimento e la vibrazione nei sistemi biomedici e possono essere utilizzati per monitorare l’attività fisica, l’andatura e il tremore nei pazienti che presentano disturbi motori. Inoltre, i MEMS possono essere abbinati alla tecnologia microfluidica per l’analisi del sangue, la scoperta di farmaci e la diagnostica decentrata, nonché per la somministrazione di precisione dei farmaci.
Materiali biocompatibili per MEMS a base di cerio
Molti dispositivi MEMS utilizzano materiali piezoelettrici, capaci di generare una carica elettrica in risposta all’applicazione di una sollecitazione meccanica, o viceversa. I sensori MEMS utilizzano materiali piezoelettrici come elemento di rilevamento: quando viene applicata una sollecitazione meccanica, il cristallo piezoelettrico genera una carica elettrica che può essere misurata e utilizzata per il rilievo di variazioni di pressione, accelerazione o altri parametri fisici. Tuttavia, la maggior parte di questi materiali contiene il piombo, la cui tossicità rende necessarie alternative più ecologiche. Il progetto BioWings, finanziato dall’UE, ha affrontato questo limite con l’adozione di nuovi materiali biocompatibili intelligenti. «Abbiamo rivolto l’attenzione ai composti a base di cerio in quanto materiali alternativi elettrostrittivi ecocompatibili, che cambiano forma con l’applicazione di un campo elettrico e possono essere depositati su altri substrati, tra cui metalli e materiali flessibili», spiega Nini Pryds, il coordinatore del progetto. Inoltre, i composti di ossido di cerio sono pienamente compatibili con le tecnologie basate sul silicio e possono ridurre il consumo energetico dei dispositivi MEMS. Queste proprietà, nel complesso, ne fanno i candidati ideali per le applicazioni biomediche.
Produzione ex novo di materiali piezoelettrici
Le proprietà dei materiali piezoelettrici dipendono dalla loro simmetria cristallina, il che ha notevolmente ostacolato la scoperta di nuovi materiali simili nel corso degli anni. La struttura cristallina deve infatti essere asimmetrica per permettere agli atomi, sottoposti a uno stimolo esterno come la pressione, di allontanarsi dalla loro posizione dando origine a un dipolo elettrico. BioWings ha aggirato questo limite per mezzo della corrente esterna al fine di rendere piezoelettrici i materiali non dotati di tale caratteristica,aprendo la strada a nuove opportunità per la progettazione di materiali piezoelettrici da fonti ecocompatibili.
Tecnologia a pellicola sottile per migliorare i dispositivi medico-diagnostici
Inoltre, il consorzio ha sviluppato un processo di progettazione all’avanguardia volto ad applicare pellicole sottili di ossido di cerio sui microprocessori, una soluzione che offre notevoli potenzialità di progresso per i dispositivi acustofluidici destinati ad applicazioni biomediche. Questi dispositivi utilizzano le onde sonore per manipolare i fluidi e creare aree di pressione differente, suscitando il movimento o anche la separazione delle particelle, e vengono impiegati per separare le cellule biologiche. BioWings ha sviluppato con successo pellicole sottili di ossido di cerio direttamente applicabili sul microprocessore acustofluidico con estrema precisione e ripetibilità, anche nella produzione su larga scala. Secondo Pryds: «È presumibile che questa tecnologia dirompente introduca la tecnologia acustofluidica negli ospedali e nei laboratori, permettendo diagnosi e ricerche di routine a costi contenuti.»
I progetti nati sulla scia di BioWings
BioWings ha dato origine ai progetti spin-off PRISMA e AcouSome per tradurre le proprie tecnologie in prodotti innovativi. I risultati del progetto possono essere impiegati per il miglioramento di dispositivi impiantabili, come impianti cocleari, retine artificiali, interfacce neurali e sistemi di somministrazione dei farmaci. Inoltre, i materiali generati da BioWings dispongono del potenziale per essere sfruttati al di fuori del settore sanitario, ad esempio nella microelettronica.
Parole chiave
BioWings, MEMS, materiali piezoelettrici, ossidi di cerio, biocompatibile, applicazioni biomediche, sistemi microelettromeccanici, dispositivi acustofluidici, pellicole sottili
