Generare elettricità con lo zucchero nel sangue

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Il prototipo di cella a combustibile è avvolto in un vello ed è poco più grande
Il prototipo di cella a combustibile è avvolto in un vello ed è poco più grande di un’unghia di pollice.

Quando una cella a combustibile sotto la pelle converte lo zucchero del sangue del corpo in energia elettrica, sembra fantascienza. Ma funziona perfettamente, come ha dimostrato un team di ricerca dell’ETH guidato dal professore di biotecnologia Martin Fussenegger.

di Peter Rüegg

Nei diabetici di tipo 1, l’organismo non produce insulina. Pertanto, le persone colpite devono assumere l’ormone esternamente per regolare il livello di zucchero nel sangue. Al giorno d’oggi, questo avviene solitamente tramite pompe di insulina collegate direttamente al corpo. Questi dispositivi, ma anche altre applicazioni mediche come i pacemaker, necessitano di un’alimentazione affidabile. Attualmente questa è garantita principalmente dall’elettricità prodotta da batterie o pile ricaricabili.

Un team di ricercatori guidati da Martin Fussenegger del Dipartimento di Biosistemi del Politecnico di Zurigo a Basilea ha realizzato un’idea dall’aspetto futuristico: ha sviluppato una cella a combustibile impiantabile che utilizza lo zucchero in eccesso nel sangue (glucosio) proveniente dai tessuti per generare energia elettrica. A loro volta, i ricercatori hanno combinato la cella a combustibile con cellule beta artificiali già sviluppate nel loro gruppo qualche anno fa, che producono insulina come i loro modelli naturali nel pancreas e abbassano efficacemente i livelli di zucchero nel sangue.

"Soprattutto nei Paesi industrializzati occidentali, molte persone consumano più carboidrati del necessario nella vita di tutti i giorni", afferma il professor Fussenegger dell’ETH. Questo porta all’obesità, al diabete o 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", spiega ancora il biotecnologo.

Cella a combustibile in formato "bustina di tè

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

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 il fluido corporeo e permette al glucosio del tessuto di passare 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 colleghi avevano già testato tali cellule di design qualche tempo fa (vedi 8.12.2016).

Il sistema combina quindi la generazione permanente 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, l’elettricità e quindi la produzione di insulina si interrompono.

La cella a combustibile non solo fornisce l’energia elettrica sufficiente per stimolare le cellule di design, ma è anche sufficiente per consentire al sistema impiantato di comunicare con dispositivi esterni come uno smartphone. Ciò consente ai potenziali utenti di regolare il sistema tramite un’applicazione 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 il trattamento del diabete", sottolinea Fussenegger.

Strada lunga e incerta verso la maturità del mercato

Il sistema attuale è solo un prototipo. Sebbene i ricercatori lo abbiano testato con successo in un modello di topo, non possono svilupparlo in un prodotto commercializzabile. "Portare un dispositivo di questo tipo alla maturità del mercato va ben oltre le nostre risorse finanziarie e umane", afferma Fussenegger. È quindi necessario un partner industriale che disponga delle risorse e del know-how necessari.