Mani e braccia robotiche, pompe cardiache flessibili, biomateriali, muscoli stampati in 3D... Insieme alla robotica e alla biotecnologia, stanno fioccando nuove tecniche di riparazione del corpo umano.
Dopo un incidente o una malattia, milioni di persone devono reimparare a vivere con un arto mancante, organi difettosi o danni a tessuti, ossa o articolazioni... All’EPFL e altrove, i ricercatori lavorano per sviluppare nuove soluzioni per alleggerire la loro vita quotidiana.
Cominciamo dal Laboratorio di Neuroingegneria Traslazionale dell’EPFL. Questa unità, diretta da Silvestro Micera, fa notizia da oltre 10 anni, in particolare per il suo lavoro sulle protesi della mano. Nel 2023, il laboratorio è riuscito a incorporare un feedback sensoriale, consentendo alle persone a cui è stata amputata una mano di sentire il calore dell’arto mancante grazie a elettrodi termici non invasivi. Un progresso tutt’altro che banale. il senso della temperatura è essenziale per trasmettere informazioni che vanno oltre il semplice tatto", spiegava all’epoca Silvestro Micera. Genera sentimenti di affetto. Siamo esseri sociali e il calore è un elemento fondamentale.
Vincent Mendez, ricercatore TNE con sede presso il Campus Biotech di Ginevra, è coinvolto negli sviluppi in questo campo. oggi il team sta lavorando per creare una protesi che incorpori tutti gli elementi sviluppati negli ultimi anni: sensazioni di tatto, temperatura ed elementi robotici", spiega il bioingegnere. Per il tatto, stiamo collaborando con i ricercatori della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa su un nuovo sistema non invasivo che hanno sviluppato, senza impianti nervosi, in cui piccoli palloncini si gonfiano nell’attacco della protesi, toccando la pelle in punti precisi e creando l’illusione che sia la mano fantasma a essere toccata"
Mani controllate dal pensiero
Negli ultimi sei anni, Vincent Mendez ha studiato in particolare gli aspetti di controllo delle protesi. In particolare, ha lavorato con persone che cercano di controllare mani robotiche con il pensiero. "Utilizzando elettrodi posizionati sugli avambracci, possiamo misurare l’attività muscolare e interpretare e decodificare i segnali trasmessi. L’obiettivo è tradurre l’intenzione della persona per ottenere un movimento della mano robotica che sia intuitivo e naturale" Egli spera che un prototipo di protesi che incorpori queste nuove tecniche possa vedere la luce nel 2026.
Anche Daniel Leal sta lavorando con il TNE. Nell’ambito del Third Arm Project, il neuroingegnere sta lavorando allo sviluppo di braccia robotiche aggiuntive. L’obiettivo di questo arto aggiuntivo è quello di aiutare le persone che hanno perso l’uso delle braccia, ma anche di assistere le persone normodotate nelle attività quotidiane che richiedono un lavoro multitasking, o in operazioni delicate come il salvataggio o l’assistenza medica. "Una delle sfide consiste nel controllare questo braccio supplementare utilizzando le risorse motorie assegnate ad altre funzioni del corpo, senza interrompere le funzioni necessarie. Il corpo umano ha molte ridondanze che possono essere sfruttate al meglio", sottolinea Daniel Leal.
Il team del TNE sta studiando la possibilità di attivare queste braccia con i movimenti del diaframma, ma anche con i muscoli dell’orecchio. i muscoli dell’orecchio sono vestigiali, il che significa che per la maggior parte delle persone il loro uso è andato perso nel corso dell’evoluzione", continua il ricercatore. Ma le neuroconnessioni esistono ancora. Possiamo quindi imparare a riallocarli. Uno dei vantaggi di questi muscoli è che sono conservati nella maggior parte dei casi di gravi lesioni del midollo spinale, il che li rende obiettivi adatti per il controllo neuroprotesico"
Idrogeli, forti risultati per i tessuti molli
Fortunatamente, non tutti gli incidenti comportano la perdita di un arto. Negli incidenti domestici o sportivi, spesso sono i tessuti molli a essere colpiti: tendini, muscoli, pelle e così via. Gli interventi chirurgici su questi tessuti, per quanto lievi, non sempre danno i risultati migliori, perché spesso si rigenerano e guariscono male. Per decenni i ricercatori hanno cercato di creare adesivi in grado di resistere alle sollecitazioni di un corpo umano in movimento. Presso il Laboratorio di Ortopedia Biomeccanica dell’EPFL, Dominique Pioletti e il suo team stanno lavorando per sviluppare una nuova famiglia di idrogeli: biomateriali iniettabili in grado di legarsi ai tessuti e aiutarli a rigenerarsi.
Gli idrogel offrono grandi vantaggi. hanno proprietà simili a quelle dei tessuti molli", spiega il professore. Come i tessuti molli, sono costituiti da una rete di molecole che contengono un liquido all’interno. Un altro grande vantaggio è che possono essere iniettati in forma liquida e poi parzialmente solidificati, ad esempio in risposta alla luce. Possiamo agire in modo minimamente invasivo"
Oggi il laboratorio si concentra soprattutto sul riempimento dei buchi nella cartilagine. "Per trattare le lesioni, i nostri partner del CHUV prelevano le cellule dal paziente e le diffondono in laboratorio, prima di reiniettarle per favorire la ricrescita. Finora sono state iniettate con un liquido, il che pone dei problemi, soprattutto per quanto riguarda il mantenimento delle cellule in sede. Se vengono inserite in un gel che si attacca alla cartilagine, le cellule rimangono confinate nella parte di cartilagine da trattare, garantendo una maggiore efficacia terapeutica. Il gel sarà in grado sia di proteggere la cartilagine sia di integrarsi con il tessuto esistente
In caso di danni alla cartilagine (un tessuto la cui consistenza Dominique Pioletti paragona alla gomma da masticare Malabar), si gioca una vera e propria corsa contro il tempo con l’organismo. "Se non proteggiamo l’area, il corpo formerà quella che chiamiamo fibrocartilagine, un tessuto le cui fibre sono mal organizzate, che rimane al suo posto e impedisce alla cartilagine di migliore qualità di ricrescere. L’idrogel prenderà in qualche modo il suo posto e permetterà al tessuto di ricostituirsi" Una delle sfide principali è quindi quella di prevedere correttamente il tasso di degradazione dell’idrogel.
Dominique Pioletti punta a uno sbocco commerciale del progetto tra circa cinque anni. Ha anche contribuito al lancio della start-up Flowbone.
Pelle e muscoli in 3D
Gli idrogel hanno trovato altri impieghi presso il Laboratorio federale di prova dei materiali e di ricerca (EMPA). Utilizzando la gelatina di pesci d’acqua fredda come il merluzzo e il nasello, questa primavera i ricercatori hanno sviluppato un biomateriale innovativo che non si gonfia e che è compatibile con la stampa 3D. Già brevettato, questo idrogel permette di stampare insieme le cellule della pelle per creare modelli di pelle viva. Simula la matrice extracellulare e riproduce i diversi strati della pelle umana, facilitando lo studio di malattie o ferite croniche. Potrebbe anche essere utilizzato come medicazione: biocompatibile, provoca meno reazioni immunitarie rispetto ai derivati dei mammiferi.
All’EMPA la stampa 3D viene utilizzata anche in un altro campo promettente: quello dei muscoli. Lo scorso marzo, il laboratorio ha annunciato importanti progressi nella creazione di muscoli in silicone, che un giorno potrebbero "aiutare gli esseri umani a lavorare o camminare, o sostituire il tessuto muscolare ferito". Questi muscoli utilizzano i DEA (attuatori elastici dielettrici), formati da strati alternati di materiali conduttivi e isolanti a base di silicone. In risposta alle tensioni elettriche, l’attuatore si contrae come un muscolo e poi si rilassa.
Al servizio del cuore e del sorriso
I DEA svolgono un ruolo importante nel lavoro di Yves Perriard. Presso Microcity (EPFL Neuchâtel), il microtecnico dirige sia il Laboratory for Integrated Actuators (LAI) che il Centre for Artificial Muscles (CAM). In collaborazione con le università di Zurigo, Berna e Monaco, le due entità stanno lavorando per creare motori flessibili ed elementi robotici in grado di aiutare i corpi che hanno bisogno di una mano.
Al centro del loro lavoro c’è... il cuore. O, più precisamente, l’aorta. Con la speranza di fare un salto di qualità in ciò che la medicina può offrire a chi soffre di insufficienza cardiaca. oggi, quando creiamo una pompa, dobbiamo inserire oggetti rigidi all’interno del cuore", spiega Yves Perriard. Qui stiamo cercando di creare qualcosa di flessibile, molto meno invasivo, che non tocchi il sangue e non entri nel cuore"
Il team di Yves Perriard è riuscito a creare un DAE a forma di anello che può essere posizionato sull’aorta all’uscita del cuore. "L’anello si allunga e si chiude. Sincronizzando il suo movimento con l’apertura della valvola aortica, creiamo un effetto di aspirazione che aiuta il cuore a pompare"
Nel 2021 e nel 2022, i primi test in vivo sui maiali si sono rivelati conclusivi, convalidando il metodo. ma l’anno scorso una scoperta ha aperto un nuovo mondo di possibilità", spiega il professore. Creando un vuoto d’aria intorno al DAE, siamo riusciti a moltiplicarne l’effetto per quasi 10 volte. Invece di aiutare il cuore a battere, potevamo infatti immaginare di sostituirlo" Il team ha brevettato questo principio, che è interamente loro. "Ci stiamo avvicinando alla sperimentazione sull’uomo", riferisce con soddisfazione Yves Perriard.
In collaborazione con il gruppo di Nicole Lindenblatt dell’Ospedale Universitario di Zurigo, i laboratori di Neuchâtel stanno lavorando anche sulla rianimazione facciale. l’obiettivo è aiutare le persone il cui volto è paralizzato, spesso da un lato, ad esempio a causa di virus che attaccano i nervi", continua Yves Perriard. Un DAE piatto ed estremamente sottile viene posizionato sotto la guancia del paziente. Collegato al muscolo zigomatico e collegato a un sistema elettronico in grado di leggere i nervi emessi dal paziente, gli permetterà di sollevare nuovamente l’angolo del labbro" Qui, come altrove, questi progressi sono destinati a riportare il sorriso sul volto di molte persone.
Questo articolo è stato pubblicato nel numero di giugno 2025 della rivista Dimensions, che mette in luce l’eccellenza dell’EPFL attraverso approfondimenti, interviste, ritratti e notizie. Pubblicata 4 volte l’anno, in francese e in inglese, viene inviata ai membri degli Alumni contribuenti e a tutti coloro che desiderano abbonarsi. La rivista viene inoltre distribuita gratuitamente nei campus dell’EPFL.
