Melanina bioelettronica per i circuiti cyborg del futuro

melanina

Cyborg: l’unione tra l’uomo e la macchina. Un concetto che può apparire fantascientifico e magari anche spaventoso, anche se in diversi campi l’integrazione tra organismi viventi e macchine è una realtà ormai da decenni. Un esempio su tutti? Il pacemaker, un dispositivo elettronico tutto sommato semplice, ma che ha permesso di salvare la vita di milioni di persone in tutto il mondo. Per creare una nuova generazione di dispositivi impiantabili, ancora più complessi e promettenti, quel che serve sono materiali adeguati, composti in grado di condurre elettricità ma che risultino allo stesso tempo biocompatibili. E una rivoluzione in questo campo arriva proprio dall’Italia: un team di ricercatori della Federico II di Napoli, di Enea Portici e del Cnr di Bari e di Napoli ha trovato infatti un metodo per trasformare un pigmento al 100% naturale come la melanina, presente nella pelle di tutti noi, in un perfetto materiale conduttivo, con cui potrebbero essere realizzati i circuiti impiantabili del futuro. La scoperta è stata presentata sulle pagine di Frontiers in Chemistry.

La melanina

La melanina, o meglio le melanine (visto che ne esistono di diversi tipi) sono pigmenti presenti in ogni forma di vita, non sono tossici, non provocano reazioni immunitarie e sono completamente biodegradabili. Il tipo di melanina su cui hanno lavorato i ricercatori è l’eumelanina, un pigmento marrone scuro che dà colore a capelli e occhi, e protegge la nostra pelle dagli effetti nocivi del sole. L’eumelanina, nella sua forma naturale, soddisfa chiaramente le restrizioni imposte dalla biologia allo sviluppo di dispositivi impiantabili, ma non quelle dell’elettronica. La sua capacità di condurre corrente è infatti conosciuta da tempo, ma non è abbastanza elevata per essere sfruttata a dovere nel campo della bioelettronica. Ed è qui che entra in gioco il team di ricercatori della Federico II coordinato da Alessandro Pezzella. “Si tratta di un filone di ricerca che ha una lunga tradizione nella nostra città – racconta Pezzella – ricollegabile fino alla fondazione della stazione zoologica Anton Dorhn di Napoli, avvenuta verso la fine del XIX secolo, dove si effettuano da sempre studi sui pigmenti naturali”.

La ricerca

Gli scienziati italiani sono riusciti finalmente a sbloccare il potenziale dell’eumelanina, conosciuto fin dagli anni ’70 ma rimasto inutilizzato fino ad oggi, grazie ad uno studio approfondito della struttura molecolare di questa sostanza. L’eumelanina è infatti composta da molti “fogli molecolari” che appaiono distribuiti disordinatamente. L’idea è stata quindi quella di fare un po’ di ordine: riorganizzare i fogli e allinearli, in modo tale che riescano a scambiare elettroni tra di loro e dunque trasportare corrente elettrica con più facilità. Per riuscirci hanno fatto ricorso alla termodisidratazione, un processo che attraverso l’applicazione del vuoto e di alte temperature rimuove l’umidità e l’anidride carbonica bloccate all’interno dell’eumelanina, vere e proprie trappole per il trasferimento elettronico, senza intaccare la composizione chimica del composto.

“Per capire il funzionamento di questo processo, si può immaginare un foglio di alluminio appallottolato – spiega Pezzella – che presenta spazi vuoti, dunque non metallici e non conduttivi, che non contribuiscono alla conducibilità. Se ora questo foglio appallottolato viene compresso con estrema forza per effetto di vuoto e calore, verranno eliminati la maggior parte degli spazi vuoti. Il risultato è un foglio di alluminio più denso, più conduttivo, ma che non ha perso la sua composizione fondamentale”. Nel caso dell’eumelanina il materiale risultante viene chiamato High Vacuum Annealed EUmelanin (Hvae), e grazie alla termodisidratazione raggiunge una conducibilità un miliardo di volte superiore al suo valore di partenza. Un risultato da record tutto italiano, che ha permesso di battere sul tempo diversi team di ricerca internazionali impegnati nello stesso campo. E che per il livello di conducibilità permette finalmente all’eumelanina di trasferire impulsi elettronici, dunque informazioni, con l’efficienza necessaria per realizzare interfacce “cyborg” sicure ed efficaci.

Ordine dal caos

Tutte le varie analisi compiute concordano sul fatto che questi cambiamenti riflettono una riorganizzazione delle molecole di eumelanina, passate da avere un orientamento casuale ad una configurazione uniforme a pila in grado di scambiare elettroni. La conduttività raggiunta dall’Hvae – racconta Pezzella –dovrebbe inoltre consentire il suo utilizzo per un ampio spettro di applicazioni.

Ci potrebbe essere un problema però, perché negli esperimenti svolti dai ricercatori della Federico II l’immersione delle pellicole nell’acqua ha provocato una diminuzione importante nella conduttività. Una possibile soluzione potrebbe essere una difesa dei tratti conduttivi dall’acqua tramite dei grassi, come avviene con i percorsi nervosi nel nostro corpo che vengono protetti dalla guaina mielinica a salvaguardia della trasmissione elettrica. Non si è ancora a conoscenza del valore massimo di conducibilità che potrà essere raggiunto, ma questo fondamentale studio rappresenta un punto di partenza per numerose ricerche future.

Riferimenti: Frontiers in Chemistry

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