Imparare dalle cavallette

Chiunque si sia sottoposto a un elettrocardiogramma, ad esempio per controllare la propria condizione cardiaca, avrà familiarità con gli elettrodi che il medico applica al petto. Tuttavia, i modelli di elettrodi tradizionali presentano notevoli svantaggi: Gli elettrodi di metallo duro sono scomodi da sponsorizzare e quindi non sono adatti a misurazioni per lunghi periodi di tempo. Con gli elettrodi in gel, che sono i più usati nella pratica clinica quotidiana, i pazienti spesso soffrono di irritazioni cutanee o addirittura di reazioni allergiche.

I ricercatori dell'ETH guidati da Janos Vörös, professore di bioelettronica, e Christopher Hierold, professore di micro e nanosistemi, sono riusciti a porre rimedio a questa situazione. Hanno sviluppato un elettrodo elastico come la pelle e quindi appena percettibile da chi lo sponsorizza. Grazie alla speciale struttura superficiale, i segnali provenienti dal cuore e dal cervello possono essere registrati in alta qualità. I ricercatori hanno recentemente pubblicato il loro lavoro sulla rivista specializzata lato esternoMateriali avanzati per la sanità pubblicato.

Ispirato alla natura

Per il nuovo elettrodo i ricercatori hanno utilizzato un materiale morbido, una miscela di gomma siliconica e particelle d'argento conduttive, che risale a un precedente lavoro di ricerca del gruppo di Janos Vörös. Per la strutturazione della superficie, gli scienziati si sono ispirati alla natura: Hanno utilizzato il meccanismo che permette alle locuste di camminare anche su superfici verticali.

Le piante dei piedi di questi insetti sono ricoperte da innumerevoli minuscole piastrine che al microscopio sembrano teste di funghi e sono disposte a mosaico. Quando entrano in contatto con un'altra superficie, si verifica un effetto adesivo, noto in gergo tecnico come interazione di Van der Waals.

I ricercatori hanno trasferito questa microstruttura al loro materiale, creando così una superficie di elettrodi che aderisce alla pelle. La speciale geometria a livello microscopico massimizza inoltre l'area di contatto tra la pelle e l'elettrodo, consentendo di registrare segnali di altissima qualità.

Dalla camera bianca alla piscina

I ricercatori hanno prodotto i prototipi con un processo di fabbricazione appositamente sviluppato in una camera bianca. Hanno rivestito un substrato con due diverse vernici e lo hanno ricoperto con una maschera perforata con precisione. Hanno poi irradiato il tutto con la luce, che ha reso rimovibile la lacca superiore, sensibile alla luce, esattamente sotto le aree perforate. Hanno quindi immerso il tutto in una soluzione chimica. Questa ha attaccato dapprima le aree rimovibili della lacca superiore e poi ha raggiunto la seconda lacca. Lì i ricercatori hanno fermato la degradazione esattamente al momento giusto, in modo da creare lo stampo desiderato con molte teste di funghi rovesciate. Lo stampo ha poi prodotto la superficie dell'elettrodo adesiva e appositamente strutturata.

I ricercatori hanno testato gli elettrodi su un nuotatore per verificare se funzionano anche in caso di forti sollecitazioni. A causa della resistenza dell'acqua e dei movimenti vigorosi, il nuoto è considerato una disciplina particolarmente difficile per il monitoraggio delle prestazioni mediante elettrodi. I risultati sono stati convincenti: la qualità dei segnali registrati dai nuovi elettrodi era significativamente migliore rispetto a quella degli elettrodi in gel indossati dal nuotatore. Nel frattempo, il servizio di salvataggio sul lago di Zurigo ha già mostrato interesse per i nuovi elettrodi e li sta utilizzando nell'ambito di uno studio in corso.

Oltre a un elettrodo per la registrazione delle curve cardiache, l'elettrocardiogramma (ECG), i ricercatori hanno sviluppato anche un elettrodo per la misurazione delle onde cerebrali, l'elettroencefalogramma (EEG). La miscela di materiali è la stessa per entrambi i tipi di elettrodi, ma la struttura è diversa: Gli elettrodi EEG non hanno bisogno di una microstruttura adesiva, poiché sono fissati con un cappuccio. La loro superficie è invece dotata di diversi nodi alti da due a quattro millimetri, che consentono il contatto con il cuoio capelluto anche attraverso i capelli spessi. Questo elimina la necessità di radersi e di usare il gel.

Passo successivo: Industrializzazione

Séverine Chardonnens e Simon Bachmann, due degli autori dello studio, erano convinti fin dall'inizio che tali elettrodi avessero un grande potenziale di mercato. Mentre stavano ancora studiando per il loro Master, hanno iniziato a portare avanti l'idea di una loro azienda. Con successo: i due giovani talenti sono stati ammessi ai programmi di promozione Venture Kick e CTI e hanno già vinto alcuni capitali di avviamento in competizioni per start-up.

Dopo il successo dello sviluppo dei prototipi di elettrodi e la fondazione ufficiale di "IDUN Technologies" come l'ETH spin-off nel novembre 2017, Chardonnens e Bachmann stanno ora valutando su quale applicazione vogliono concentrarsi per il momento. A tal fine, stanno intrattenendo intensi rapporti con diversi partner industriali e gruppi di ricerca. "La commercializzazione vale dove i nuovi elettrodi presentano i maggiori vantaggi rispetto a quelli precedenti", afferma Bachmann. "Vediamo un potenziale nel monitoraggio a lungo termine dei pazienti, nel monitoraggio delle prestazioni nello sport o nel mercato dell'EEG".

Una volta chiarita la questione della direzione strategica, Chardonnens si concentrerà sull'industrializzazione come capo sviluppatore, mentre Bachmann si concentrerà principalmente sull'acquisizione di partner e clienti come direttore generale. "Se tutto va come previsto, saremo in grado di vendere i primi elettrodi già quest'anno", afferma Chardonnens.