Georgia Tech crea SWANS: impianti medici che comunicano attraverso il corpo

La maggior parte degli impianti medici che portiamo dentro il corpo — pacemaker, pompe per l'insulina, stimolatori nervosi — lavora in completo isolamento. Non parlano tra loro. Non si coordinano. Ogni dispositivo è un'isola. Un gruppo di ricercatori del Georgia Tech ha deciso di cambiare questa logica creando SWANS, una rete di impianti che comunicano sfruttando il tessuto corporeo stesso come conduttore, senza antenne, senza onde radio, senza i consumi energetici che oggi rendono impossibile miniaturizzare questi dispositivi.

Il problema con le tecnologie attuali è duplice. Il Bluetooth Low Energy e l'NFC, che oggi collegano i pochi impianti capaci di dialogare, consumano enormemente: mantenere un dispositivo pronto a rispondere in millisecondi via Bluetooth può ridurre l'autonomia della batteria fino al 90%. Inoltre le onde radio attraversano male i tessuti biologici — già oltre un centimetro il segnale si degrada. E c'è una questione di spazio: i componenti Bluetooth commerciali richiedono dispositivi larghi almeno cinque millimetri, il che significa sala operatoria. Se un impianto scende sotto i tre millimetri, lo si può iniettare con una siringa in ambulatorio. Alex Abramson, ingegnere del Georgia Tech e coautore dello studio, ha spiegato come questi vincoli rendessero le soluzioni attuali inadatte al corpo umano.

SWANS — Smart Wireless Autonomous Networking System — si ispira al sistema nervoso. I neuroni comunicano spostando ioni sodio e potassio attraverso le membrane cellulari. SWANS sfrutta lo stesso principio di conduzione ionica, ma usa il tessuto corporeo ordinario al posto dei nervi. Il concetto non è completamente nuovo: una pillola approvata dalla FDA chiamata Abilify MyCite lo impiega già per segnalare a un cerotto cutaneo di essere stata ingerita. La differenza è che quei sistemi collegano solo due dispositivi. Qui l'obiettivo era metterne in rete molti contemporaneamente.

L'architettura è elegante. Un hub indossabile — un circuito flessibile — legge i dati dai sensori, esegue gli algoritmi decisionali e emette impulsi fino a 12 volt. Un cerotto di microaghi in acciaio inossidabile porta quegli impulsi oltre lo strato più esterno della pelle, che è poco conduttivo, fino a una serie di impianti iniettabili. Ogni impianto contiene una piastra di ricezione, un transistor, una batteria e un sensore oppure un attuatore — per esempio uno stimolatore nervoso. L'intelligenza risiede tutta nell'hub. Gli impianti restano piccoli e semplici: misurano 3 per 1,1 per 17 millimetri e passano attraverso un ago di calibro 6.

Come funziona la selezione del destinatario è affascinante. Ogni impulso genera un campo elettrico che raggiunge tutti i dispositivi, ma reagisce solo quello giusto — come in una stanza affollata dove ci si gira solo sentendo il proprio nome. Resistenze e condensatori fanno scattare il transistor solo con una precisa combinazione di intensità e durata dell'impulso. Le soglie vanno calibrate in base al corpo e alla posizione di ogni impianto. In ascolto, gli impianti consumano quasi nulla. La batteria dura oltre 15 volte di più rispetto a Bluetooth e NFC.

I test sono stati condotti su petti di pollo, pancette di maiale con pelle e ossa, e ratti vivi. Nella pancetta un impulso da 10 volt ha prodotto un segnale rilevabile su oltre 30 centimetri di distanza e fino a 14 centimetri di profondità — una copertura più di 10 volte superiore a quella delle tecnologie radio. Nei ratti il segnale ha raggiunto impianti sottocutanei, addominali e perfino nello stomaco. In un esperimento avanzato, sensori sulle zampe anteriori rilevavano il movimento e l'hub inviava un impulso all'impianto sulla zampa posteriore corrispondente, stimolando il nervo sciatico e facendola contrarre. Un altro test ha collegato due impianti: un sensore di temperatura passava il segnale solo in caso di febbre oltre i 40 gradi Celsius.

Sul fronte della sicurezza, le tensioni e le durate sono simili a quelle di pacemaker e neurostimolatori già in uso. In due mesi si è formato tessuto cicatriziale spesso fino a un millimetro, ma alzando la tensione entro limiti sicuri la comunicazione non si è mai interrotta. Nessun nervo diverso da quello bersaglio è stato stimolato. L'attività elettrica del cuore è rimasta invariata, senza aumenti di morte cellulare o stress ossidativo. SWANS trasmette pochi dati per scelta — il design punta a sistemi minuscoli e a bassissimo consumo. Non è ancora stato sperimentato su grandi animali né sull'uomo, anche se gli studi preliminari su animali di grossa taglia appaiono promettenti. Secondo Abramson il nuovo protocollo, indipendente da sensori e attuatori specifici, può essere integrato negli impianti esistenti per costruire una rete completa di terapie all'interno del corpo — coordinando neurostimolazione e somministrazione di farmaci nel momento giusto, come potrebbe accadere in malattie come l'epilessia.