(Stimolatore cerebrale-Immagine: ricercatori di UConn hanno sviluppato un modo per caricare stimolatori cerebrali profondi che non richiedono la carica della batteria attualmente standard. Credito: Università del Connecticut).
Gli stimolatori cerebrali profondi impiantabili possono aiutare molte persone con malattie neurologiche e psichiatriche quando i trattamenti tradizionali falliscono. Ma l’intervento chirurgico ogni volta che è necessario sostituire le batterie, è un grave inconveniente. Ora, i ricercatori di UConn riportano in Cell Reports Physical Sciences un nuovo modo per caricare i dispositivi usando i movimenti respiratori di una persona.
Gli stimolatori cerebrali profondi stanno diventando sempre più comuni, con circa 150.000 nuovi dispositivi impiantati ogni anno. Sono normalmente posizionati sotto la pelle nella zona del torace e i loro elettrodi impiantati all’interno del cervello. Gli elettrodi colpiscono il cervello con impulsi elettrici più volte al secondo per regolare l’attività elettrica anormale del cervello.
Gli stimolatori cerebrali profondi possono aiutare le persone con malattia di Parkinson e altri disturbi del movimento a riprendere il controllo dei movimenti muscolari. La ricerca ha anche dimostrato che la tecnica può ridurre significativamente i sintomi di condizioni psichiatriche come la depressione resistente al trattamento e il disturbo ossessivo-compulsivo.
Proprio come un pacemaker, gli stimolatori cerebrali profondi sono alimentati a batteria. Mentre la maggior parte delle batterie dei pacemaker durano dai 7 ai 10 anni, le batterie degli stimolatori cerebrali profondi richiedono in genere la sostituzione ogni 2-3 anni a causa del loro elevato consumo di energia. E ogni cambio di batteria richiede un intervento chirurgico.
I chimici di UConn Esraa Elsanadidy, Islam Mosa, James Rusling e i loro collaboratori hanno sviluppato uno stimolatore cerebrale profondo che non ha mai bisogno di cambiare le batterie.
Invece di una batteria, il nuovo dispositivo converte il movimento del torace dell’utente mentre respira in elettricità. Quando la persona inspira ed espira, la parete toracica preme su un generatore elettrico molto piccolo e sottile, chiamato nanogeneratore triboelettrico. Il nanogeneratore converte quel movimento in elettricità statica.
Il concetto è simile a strofinare un palloncino sulla maglietta e poi metterlo su un muro per attaccarlo. Il muro e il palloncino hanno cariche elettriche statiche diverse e si attaccano l’uno all’altro. Le cariche del materiale più negativo si attaccano a quello più positivo e nel nanogeneratore triboelettrico dello stimolatore cerebrale profondo, questo crea una corrente che carica un supercondensatore. Il supercondensatore scarica l’elettricità per alimentare il dispositivo medico e stimolare il cervello.
“Abbiamo creato il nostro nanogeneratore triboelettrico utilizzando nuovi nanomateriali che producono una notevole quantità di energia quando entrano in contatto tra loro, energia sufficiente per far funzionare lo stimolatore cerebrale profondo”, afferma Elsanadidy.
“Volevamo adattarlo al resto della tecnologia disponibile nel solito modo. In linea di principio, se qualcuno ha già uno stimolatore cerebrale profondo, potremmo semplicemente sostituire la batteria con questo generatore senza doverlo riadattare con uno completamente nuovo dispositivo“, afferma il chimico UConn Jim Rusling.
Il team ha testato il dispositivo incorporando il proprio nanogeneratore triboelettrico nel torace di un maiale simulato contenente un polmone di maiale collegato a una pompa. Quando il polmone del maiale viene gonfiato e sgonfiato durante l’inalazione e l’espirazione, spinge contro il nanogeneratore, provocando lo sfregamento di due strati all’interno del nanogeneratore e la produzione di elettricità.
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L’elettricità viaggia attraverso un filo sottile per caricare il supercondensatore che alimenta l’elettronica dello stimolatore cerebrale profondo posta all’esterno della gabbia toracica. Lo stimolatore cerebrale ha utilizzato l’elettricità immagazzinata nel supercondensatore per creare impulsi 60 volte al secondo, proprio come farebbe in un dispositivo commerciale.
“Questo è il primo sistema che combina tutti i pezzi; efficiente raccolta di energia, accumulo di energia e stimolatore cerebrale controllato. Abbiamo dimostrato che il nostro stimolatore cerebrale profondo autosufficiente può stimolare in modo intermittente il tessuto cerebrale alternando periodi di stimolazione e periodi di non stimolazione che è un approccio efficace di stimolazione cerebrale profonda per il trattamento di condizioni psichiatriche”, afferma Mosa, che è anche chief technology officer di VoltXon, una società del programma Technology Incubator di UConn che sta commercializzando il sistema. Il prossimo passo sarà provare il dispositivo in un animale grande.
