Generare elettricità con lo zucchero nel sangue

Nei diabetici di tipo 1, l'organismo non produce insulina. Per questo motivo, le persone colpite devono ingerire l'ormone esternamente per regolare i livelli di zucchero nel sangue. Al giorno d'oggi, questo avviene di solito con pompe di insulina che vengono collegate direttamente al corpo. Queste apparecchiature, così come altre applicazioni mediche come i pacemaker, richiedono un'alimentazione affidabile. Attualmente questa viene fornita principalmente dall'elettricità delle batterie o delle pile ricaricabili.

Un gruppo di ricercatori guidati da Martin Fussenegger del Dipartimento biosistemi e ingegneria dell'ETH di Zurigo a Basilea ha realizzato un'idea futuristica: ha sviluppato una cella a combustibile impiantabile che utilizza lo zucchero del sangue (glucosio) in eccesso dai tessuti per generare energia elettrica. I ricercatori hanno combinato la cella a combustibile con le cellule beta artificiali sviluppate dal loro gruppo diversi anni fa, che producono insulina come le loro formazioni preliminari nel pancreas e abbassano efficacemente i livelli di zucchero nel sangue.

"Soprattutto nei Paesi occidentali industrializzati, molte persone consumano più carboidrati di quanti ne abbiano bisogno nella vita di tutti i giorni", afferma l'ETH Professor Fussenegger. Questo porta all'obesità, al diabete e alle malattie cardiovascolari. "Da qui è nata l'idea di utilizzare questo surplus di energia metabolica per produrre elettricità per il funzionamento di dispositivi biomedici", continua il biotecnologo.

Cella a combustibile in formato "bustina di tè

Il fulcro della cella a combustibile è l'anodo (elettrodo) creato dal team di Fussenegger appositamente per questa applicazione. ? costituito da nanoparticelle di rame e scinde il glucosio in acido gluconico e un protone per generare elettricità, che mette in moto un circuito elettrico.

La cella a combustibile è avvolta in un vello e rivestita di alginato, un prodotto a base di alghe approvato per applicazioni mediche. Questo rende la cella a combustibile simile a una bustina di tè che può essere inserita sotto la pelle. L'alginato assorbe i fluidi corporei e permette al glucosio di passare dal tessuto al suo interno.

Rete per diabetici con alimentazione propria

In una seconda fase, i ricercatori hanno accoppiato la cella a combustibile con una capsula contenente cellule beta artificiali. Queste possono essere stimolate con corrente elettrica o luce LED blu per produrre e rilasciare insulina. Fussenegger e i suoi collaboratori hanno testato tali cellule di design qualche tempo fa (vedi Notizie dell'ETH dall'8.12.2016).

Il sistema combina la generazione continua di energia e la somministrazione controllata di insulina. Non appena la cella a combustibile registra un eccesso di glucosio, inizia la produzione di elettricità. L'energia elettrica viene quindi utilizzata per stimolare le cellule a produrre insulina e a rilasciarla nel sangue. Questo fa sì che il livello di glucosio nel sangue scenda a un livello normale. Non appena scende al di sotto di una certa soglia, la produzione di elettricità e quindi di insulina si interrompe.

La cella a combustibile non solo fornisce l'energia elettrica sufficiente a stimolare le cellule di design, ma è anche sufficiente a far comunicare il sistema impiantato con dispositivi esterni come uno smartphone. Ciò consente ai potenziali utenti di regolare il sistema tramite un'app corrispondente. Anche un medico potrebbe accedervi da remoto ed effettuare le regolazioni. "Il nuovo sistema regola autonomamente il livello di insulina e quindi la glicemia e potrebbe essere utilizzato in futuro per trattare il diabete", sottolinea Fussenegger.

Un percorso lungo e incerto verso la maturità del mercato

Questo sistema è solo un prototipo. Sebbene i ricercatori lo abbiano testato con successo in un modello di topo, non sono in grado di svilupparlo in un prodotto commerciabile. "Portare un dispositivo di questo tipo alla maturità del mercato va ben oltre le nostre risorse finanziarie e umane", afferma Fussenegger. ? quindi necessario un partner industriale con le risorse e le competenze adeguate.