Un gruppo di ricercatori guidato dalla Pennsylvania State University ha sviluppato un idrogel conduttivo estremamente morbido, elastico e adesivo che può essere depositato attraverso tecniche di stampa 3D e applicato direttamente sulla pelle per acquisire contemporaneamente diversi segnali fisiologici.
Il materiale, denominato RTLR gel, è stato progettato per affrontare uno dei problemi più difficili dei sensori epidermici: mantenere un contatto elettrico stabile con una superficie che non è né liscia né immobile.
La pelle si piega, si allunga, produce sudore ed è spesso ricoperta di peli. Tutti questi elementi possono peggiorare il contatto fra un elettrodo e il corpo, introducendo rumore nei segnali acquisiti oppure provocando il distacco del sensore durante il movimento.
Il gruppo coordinato da Huanyu “Larry” Cheng, professore di Engineering Science and Mechanics alla Pennsylvania State University, ha quindi cercato di costruire un materiale capace di adattarsi fisicamente alla superficie cutanea anziché costringere la pelle ad adattarsi a un sensore relativamente rigido.
Il risultato è descritto nello studio pubblicato sulla rivista scientifica Science Advances da Fatema Tuz Zohra, Abu Musa Abdullah, Yangbo Yuan, Yuqi Wang, Jirong Lin, Wanqing Zhang, Kazi Safowan Shahed, Xianzhe Zhang, Md Abu Sayeed Biswas, Bowen Li, Xiaojun Lian, Su Yan e Huanyu Cheng.
Un materiale più morbido della pelle umana
Una delle proprietà più interessanti dell’RTLR gel riguarda la sua estrema morbidezza.
I ricercatori hanno misurato un modulo di Young di appena 1,08 kPa per una delle formulazioni sviluppate.
Il modulo di Young indica, in termini semplificati, quanto un materiale opponga resistenza alla deformazione. Valori molto bassi indicano quindi materiali estremamente morbidi.
Nel caso di un elettrodo epidermico questa caratteristica è particolarmente importante.
Se il sensore è molto più rigido della pelle, il movimento del corpo genera piccole separazioni fra le due superfici. Questi distacchi modificano la resistenza elettrica e introducono artefatti nel segnale.
Un idrogel con caratteristiche meccaniche simili o persino inferiori a quelle della pelle può invece deformarsi seguendo i movimenti del corpo.
L’RTLR gel sviluppato dalla Pennsylvania State University può inoltre raggiungere una deformazione nell’ordine dell’8000%, cioè può essere allungato fino a circa 80 volte rispetto alla dimensione iniziale prima della rottura nelle formulazioni sottoposte ai test.
È una proprietà che permette al materiale di accompagnare movimenti che sarebbero problematici per molti elettrodi tradizionali.
Due diverse forme di grafene rendono il gel conduttivo
Per trasformare un idrogel morbido in un sensore elettrico non basta ottenere buone proprietà meccaniche.
Il materiale deve anche trasportare in modo affidabile i debolissimi segnali elettrici prodotti dal corpo umano.
Il gruppo di Penn State ha utilizzato una combinazione di laser-induced graphene, LIG, e reduced graphene oxide, rGO.
Il laser-induced graphene presenta una struttura tridimensionale altamente porosa e flessibile. Il grafene ossido ridotto contribuisce invece alla conducibilità elettrica e alla formazione della rete conduttiva all’interno del materiale.
I ricercatori hanno prodotto il composito attraverso un processo di riduzione laser partendo da materiali ricchi di carbonio.
La combinazione fra le due forme di grafene permette di ottenere un compromesso fra proprietà che normalmente tendono a entrare in conflitto: elevata conducibilità, morbidezza, elasticità e resistenza meccanica.
Il grafene non svolge quindi soltanto la funzione di “filo elettrico” incorporato nel gel. La sua geometria contribuisce anche alla struttura meccanica complessiva dell’idrogel.
Poliacrilammide, polidopamina e acido tannico formano la struttura del gel
La matrice dell’RTLR è basata principalmente su una rete di poliacrilammide e polidopamina.
La poliacrilammide viene utilizzata da tempo nello sviluppo di idrogel grazie alla possibilità di modificarne le proprietà meccaniche e all’elevato contenuto d’acqua che può essere mantenuto all’interno della struttura polimerica.
La polidopamina contribuisce invece alla tenacità e soprattutto all’adesione.
Il gruppo ha aggiunto anche acido tannico, materiale contenente gruppi catecolici capaci di aumentare ulteriormente l’adesione in presenza di acqua.
È un aspetto fondamentale perché molte tecnologie adesive funzionano bene su una superficie asciutta ma perdono rapidamente efficacia quando compare sudore.
Nel corpo umano questa eventualità non rappresenta un’eccezione: è una normale condizione operativa.
L’adesione rimane elevata anche sulla pelle bagnata
I ricercatori hanno quindi misurato il comportamento adesivo su diversi materiali, fra cui vetro, polipropilene, ceramica, acciaio, rame, gomma, policarbonato e pelle.
Nei test eseguiti su pelle suina, utilizzata come modello per alcune caratteristiche meccaniche della pelle umana, l’RTLR gel ha raggiunto una forza adesiva di circa 51,97 kPa in condizioni asciutte.
Quando la superficie è stata bagnata, il valore è rimasto nell’ordine dei 40 kPa.
La riduzione è quindi relativamente contenuta.
La capacità di mantenere il contatto in presenza di umidità è importante non soltanto per evitare che il sensore cada, ma soprattutto per mantenere stabile l’impedenza elettrica fra pelle ed elettrodo.
Se l’interfaccia cambia continuamente durante una misura, una parte delle variazioni registrate può derivare dal sensore stesso invece che dall’attività fisiologica osservata.
Il problema dei peli nei sensori biomedicali
I peli rappresentano un’altra difficoltà particolarmente importante.
Un normale elettrodo adesivo aderisce soprattutto alla parte superiore dei peli anziché raggiungere completamente la pelle sottostante.
Si crea così uno spazio fra sensore e superficie cutanea.
La conseguenza è una maggiore impedenza elettrica e quindi un peggioramento della qualità del segnale.
Il problema è ben conosciuto nelle misurazioni elettroencefalografiche, dove gli elettrodi devono raggiungere il cuoio capelluto attraverso i capelli, ma riguarda anche ECG e altre misurazioni su petto, braccia e gambe.
La morbidezza dell’RTLR gel permette invece al materiale di deformarsi attorno ai peli e raggiungere più facilmente la superficie cutanea.
In una delle prove, il gel è stato applicato sul torace di un volontario senza eliminare i peli presenti nella zona.
Il contatto elettrico ottenuto dall’RTLR è risultato migliore rispetto a quello degli elettrodi commerciali in gel utilizzati come riferimento.
ECG più stabile durante i movimenti
Il gruppo ha verificato anche il comportamento durante il movimento.
Questo aspetto è particolarmente importante per i dispositivi wearable.
Registrare un elettrocardiogramma mentre una persona rimane immobile su un lettino è molto diverso dal farlo mentre cammina, muove le braccia o svolge normali attività quotidiane.
Quando la pelle si deforma, un elettrodo convenzionale può spostarsi rispetto alla superficie cutanea.
Questi piccoli movimenti producono i cosiddetti motion artifacts, segnali indesiderati che possono sovrapporsi alla misura fisiologica.
Durante le prove eseguite dai ricercatori della Pennsylvania State University, gli elettrodi RTLR hanno mantenuto un contatto stabile anche quando i partecipanti muovevano braccia e torace.
La registrazione ECG risultava meno influenzata dagli artefatti di movimento rispetto agli elettrodi commerciali utilizzati per il confronto.
Un test ECG è proseguito per 11 ore
La stabilità non è stata valutata soltanto attraverso prove di breve durata.
In un test il gruppo ha monitorato continuativamente il segnale cardiaco per 11 ore utilizzando gli elettrodi RTLR.
Durante questo periodo il sistema ha mantenuto una bassa impedenza di contatto e una qualità del segnale elevata.
I ricercatori hanno inoltre simulato la presenza di sudore applicando sudore artificiale, verificando che l’elettrodo continuasse a registrare il segnale cardiaco.
Questa combinazione di durata, movimento e umidità è importante perché rappresenta condizioni molto più vicine all’utilizzo reale di un dispositivo wearable rispetto a una misura effettuata per pochi minuti in laboratorio.
Non soltanto il cuore: EEG, EMG ed EOG con lo stesso materiale
Il progetto non è stato concepito come un sensore destinato esclusivamente all’elettrocardiografia.
Il gruppo ha utilizzato la stessa piattaforma per acquisire diversi segnali bioelettrici.
Fra questi figurano:
- elettrocardiogramma, ECG, per l’attività elettrica del cuore;
- elettroencefalogramma, EEG, per l’attività cerebrale;
- elettromiogramma, EMG, per l’attività muscolare;
- elettrooculogramma, EOG, per i movimenti oculari;
- attività elettrodermica, EDA, collegata alle variazioni della conduttanza della pelle;
- deformazione e movimento del corpo.
Questa capacità di acquisire più parametri contemporaneamente costituisce uno degli obiettivi principali dello studio.
I ricercatori vogliono infatti passare da wearable che misurano un unico parametro a piattaforme capaci di osservare contemporaneamente diversi aspetti della risposta fisiologica.
Perché misurare più segnali nello stesso momento
Molte condizioni fisiologiche non modificano un solo parametro.
Uno stato di stress o ansia, per esempio, può provocare contemporaneamente variazioni nella frequenza cardiaca, nella sudorazione, nell’attività cerebrale, nella tensione muscolare e nel comportamento respiratorio.
Misurare soltanto uno di questi elementi fornisce quindi una visione parziale.
Il gruppo di Penn State ha utilizzato l’RTLR gel in esperimenti dimostrativi dedicati proprio all’analisi di combinazioni di segnali associate all’ansia.
Non si tratta di un dispositivo medico già capace di diagnosticare disturbi d’ansia.
La ricerca dimostra invece che lo stesso materiale può funzionare come interfaccia per rilevare contemporaneamente parametri che potrebbero essere utilizzati in futuri sistemi di analisi multimodale.
Un possibile utilizzo nella riabilitazione neurologica
Un secondo scenario esplorato riguarda la riabilitazione dei nervi.
In questo caso la possibilità di misurare insieme attività cerebrale, segnali muscolari e movimento può risultare particolarmente interessante.
Durante una riabilitazione neurologica non è sufficiente sapere se un muscolo si muove.
Può essere utile osservare contemporaneamente il segnale proveniente dal sistema nervoso, l’attivazione del muscolo e il movimento effettivamente prodotto.
Una piattaforma epidermica capace di raccogliere queste informazioni con sensori morbidi e distribuiti in differenti punti del corpo potrebbe consentire sistemi di monitoraggio meno invasivi.
Anche in questo caso il lavoro della Pennsylvania State University rappresenta una proof of concept, non una soluzione clinica pronta per l’impiego sui pazienti.
Il pH determina quanto tempo rimane disponibile per stampare
L’aspetto particolarmente interessante per la produzione additiva riguarda la possibilità di controllare il processo di gelificazione.
Un idrogel destinato alla stampa 3D presenta un problema fondamentale.
Quando viene inserito nella siringa o nella testina di estrusione deve essere sufficientemente fluido da poter essere depositato.
Una volta depositato deve però solidificarsi abbastanza rapidamente da mantenere la geometria desiderata.
Se la gelificazione è troppo veloce, il materiale può indurire nella siringa o nell’ugello.
Se è troppo lenta, le linee depositate possono deformarsi e perdere la geometria progettata.
I ricercatori hanno scoperto che modificando il pH della soluzione precursore è possibile regolare in modo molto ampio il tempo di gelificazione.
Con un pH intorno a 5,5, il processo richiede nell’ordine di una ventina di minuti.
Portando il pH a circa 7, il tempo può scendere fino a poco più di un minuto.
Questa possibilità è alla base della denominazione RTLR, che richiama proprio la capacità di regolare rapidamente la formazione della rete polimerica.
La chimica diventa un parametro del processo di stampa 3D
Nel caso dell’RTLR, il pH diventa quindi quasi equivalente a un parametro tradizionale della stampa 3D.
Nelle tecnologie FFF si controllano temperatura, velocità, altezza dello strato e portata.
Con un materiale reattivo come questo entra invece in gioco anche la cinetica chimica.
Regolare il pH significa decidere per quanto tempo il materiale rimarrà estrudibile e quanto rapidamente manterrà la forma dopo essere stato depositato.
La produzione additiva di idrogel richiede quindi un’interazione molto più stretta fra chimica dei materiali e parametri della macchina rispetto a quanto avviene con molti polimeri termoplastici.
Il materiale è shear-thinning e quindi adatto all’estrusione
Un’altra proprietà utile è il comportamento shear-thinning.
Un materiale shear-thinning riduce la propria viscosità quando viene sottoposto a uno sforzo di taglio.
All’interno dell’ugello, dove la pressione aumenta, il gel scorre quindi più facilmente.
Una volta uscito dalla testina e ridotto lo sforzo, la viscosità torna a crescere contribuendo a mantenere la geometria depositata.
È proprio il comportamento ricercato in molti inchiostri destinati alla stampa 3D per estrusione.
Le formulazioni RTLR analizzate dal gruppo hanno mostrato viscosità compatibili con il sistema di stampa utilizzato negli esperimenti.
La stampa è stata effettuata con una Nano3D Print A2200
Per le prove di additive manufacturing il gruppo ha utilizzato una Nano3D Print A2200, una piattaforma di stampa multimateriale dedicata anche alla deposizione di materiali funzionali.
La testina utilizzata nello studio disponeva di un ugello con diametro di circa 0,96 mm.
Le geometrie sono state preparate digitalmente utilizzando Autodesk Fusion 3D e il software Simplify3D.
I ricercatori hanno adottato una velocità indicativa di stampa di circa 300 mm/min, dimostrando la possibilità di realizzare pattern continui e strutture personalizzate attraverso estrusione.
Non si tratta quindi soltanto di versare il gel sulla pelle.
Il materiale può essere trattato come un vero e proprio inchiostro funzionale e depositato secondo geometrie definite digitalmente.
Stampare il sensore direttamente sulla pelle
Una delle possibilità più interessanti consiste nella deposizione diretta.
Invece di produrre un elettrodo standard in fabbrica e successivamente applicarlo al paziente, il materiale può essere estruso nella posizione nella quale deve avvenire la misurazione.
Questo concetto apre una strada differente rispetto ai normali wearable.
Un cerotto commerciale possiede geometria e dimensioni predeterminate.
Con la stampa 3D il sensore può invece essere adattato alla zona anatomica e potenzialmente alle caratteristiche del singolo utilizzatore.
Una superficie molto curva potrebbe ricevere un pattern diverso rispetto a una zona relativamente piatta.
La posizione dei sensori potrebbe essere progettata sulla base del segnale che deve essere acquisito.
La produzione additiva diventa quindi uno strumento di personalizzazione dell’interfaccia fra elettronica e corpo umano.
La risoluzione della stampa è ancora uno dei limiti
Il gruppo di ricerca sottolinea però che il processo deve essere migliorato.
La risoluzione raggiunta con l’attuale configurazione non è ancora sufficiente per realizzare sensori molto piccoli e circuiti densamente integrati.
Huanyu Cheng indica proprio l’aumento della risoluzione come uno dei prossimi obiettivi.
Ridurre la dimensione delle linee depositate permetterebbe di integrare più elementi sensibili nello stesso patch.
Il risultato potrebbe essere un dispositivo capace di acquisire contemporaneamente differenti parametri pur mantenendo dimensioni ridotte.
Il passaggio da un ugello vicino al millimetro a sistemi di deposizione molto più fini rappresenta però una sfida perché la riduzione del diametro aumenta la resistenza al flusso e rende più critica la gestione della viscosità e della gelificazione.
Il gel può essere rimosso senza lasciare residui
Un sensore destinato alla pelle deve anche poter essere rimosso senza provocare dolore o irritazioni.
Un adesivo estremamente forte non sarebbe quindi necessariamente una soluzione migliore.
Il gruppo ha cercato un equilibrio fra stabilità durante l’utilizzo e removibilità.
Negli esperimenti supplementari, l’RTLR gel è stato applicato e rimosso 25 volte senza lasciare residui visibili.
La rimozione dalla pelle ricoperta di peli può inoltre essere facilitata attraverso un prodotto idratante per capelli o mediante acqua calda, riducendo l’interazione fra gel e peli.
Questo aspetto può apparire secondario rispetto alla conducibilità o all’elasticità, ma diventa essenziale in dispositivi destinati al monitoraggio ripetuto.
La traspirabilità è necessaria per gli utilizzi prolungati
Gli idrogel contengono una grande quantità di acqua e presentano una struttura tridimensionale che può favorire il passaggio di umidità.
Il gruppo ha considerato anche la traspirabilità perché un elettrodo perfettamente impermeabile mantenuto a lungo sulla pelle può intrappolare sudore e alterare il microambiente cutaneo.
Per applicazioni che dovrebbero funzionare per molte ore o addirittura giorni, comfort e gestione dell’umidità diventano parte integrante delle prestazioni del dispositivo.
Non basta quindi ottenere il miglior segnale elettrico possibile.
Un wearable deve essere sufficientemente confortevole perché una persona sia disposta a indossarlo durante la normale attività quotidiana.
Da un singolo elettrodo a una piattaforma multimodale
Il valore del progetto della Pennsylvania State University risiede soprattutto nella combinazione delle diverse proprietà.
Esistono materiali molto conduttivi.
Esistono idrogel estremamente elastici.
Esistono adesivi capaci di funzionare sulla pelle bagnata.
Esistono sensori stampabili.
La difficoltà consiste nel riunire tutte queste caratteristiche nello stesso materiale senza che il miglioramento di una proprietà comprometta le altre.
Un elettrodo più rigido può migliorare alcune caratteristiche elettriche ma adattarsi peggio alla pelle.
Un adesivo molto forte può aumentare la stabilità ma rendere dolorosa la rimozione.
Un gel estremamente morbido può aderire bene ma essere difficile da stampare mantenendo una geometria precisa.
L’RTLR rappresenta il tentativo di trovare un equilibrio fra questi requisiti.
La ricerca è ancora lontana da un prodotto commerciale
Nonostante i risultati ottenuti, l’RTLR gel rimane una tecnologia sperimentale.
Lo studio dimostra la fattibilità del materiale e diverse applicazioni attraverso volontari e test di laboratorio, ma non equivale a una validazione clinica su larga scala.
Per trasformarlo in un dispositivo medico o in un wearable commerciale sarà necessario affrontare diversi problemi.
Occorrerà verificare la stabilità del materiale per periodi molto più lunghi, il comportamento su differenti tipi di pelle, la riproducibilità della produzione, la conservazione, la sterilizzazione quando necessaria e gli eventuali effetti dell’utilizzo prolungato.
Anche il processo di stampa dovrà diventare più preciso e probabilmente più semplice da utilizzare al di fuori di un laboratorio di ricerca.
La personalizzazione potrebbe essere il principale vantaggio della stampa 3D
L’utilizzo della produzione additiva non deve essere interpretato soltanto come un metodo alternativo per fabbricare un elettrodo.
Il vero vantaggio potrebbe essere la possibilità di modificare la geometria del sensore in funzione del corpo e della misurazione.
Una futura piattaforma potrebbe acquisire la geometria della zona anatomica, progettare automaticamente la posizione degli elettrodi e depositare il materiale nel pattern necessario.
Lo stesso sistema potrebbe produrre configurazioni differenti per ECG, EMG o monitoraggio del movimento.
In questo scenario il wearable non sarebbe più necessariamente un prodotto standard acquistato in una determinata misura.
Potrebbe diventare un dispositivo prodotto digitalmente per il singolo utilizzatore.
Un’interfaccia sempre più vicina alle proprietà del corpo umano
Il progetto guidato dalla Pennsylvania State University mostra una direzione precisa nella ricerca sui dispositivi wearable: ridurre progressivamente la differenza meccanica fra elettronica e corpo.
Per molti anni i sensori sono stati componenti rigidi applicati su superfici biologiche morbide.
Lo sviluppo di elettronica flessibile ha permesso di ridurre questa distanza.
Gli idrogel ultrasoft portano il concetto ancora più avanti, trasformando l’interfaccia elettrica in un materiale che possiede caratteristiche più vicine a quelle dei tessuti biologici.
Con un modulo di appena 1,08 kPa, una deformabilità nell’ordine dell’8000%, capacità di adesione anche in presenza di acqua e la possibilità di registrare contemporaneamente segnali cardiaci, cerebrali, muscolari, oculari e cutanei, l’RTLR gel rappresenta un esempio di questa evoluzione.
La stampa 3D aggiunge un ulteriore elemento: la possibilità di trasformare il materiale in geometrie personalizzate e, in prospettiva, di depositare direttamente sensori progettati per uno specifico punto del corpo.
Il lavoro di Penn State non produce ancora un dispositivo pronto per ospedali, palestre o uso domestico. Dimostra però come materiali conduttivi, grafene, chimica degli idrogel e additive manufacturing possano essere integrati per costruire una nuova generazione di interfacce fra corpo umano ed elettronica.
“Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)”
