Sviluppo di un modello di Retina Artificiale sensibile ai colori realizzata tramite stampa inkjet
I risultati sono frutto del lavoro di un team di ricercatori internazionale guidato da “Tor Vergata e sono sono stati pubblicati su Scientific Reports
Un modello di retina artificiale sensibile ai colori è stato realizzato utilizzando tre diversi polimeri organici semiconduttivi, processati come inchiostri, attraverso la stampa inkjet. La Retina Artificiale stampata risulta biocompatibile e, attraverso i suoi pixels polimerici che imitano la sensibilità ai colori dell’occhio, presenta una risoluzione spaziale di ∼11000 pixels/cm2. Inoltre, il processo di foto-trasduzione dai pixel ad un fluido biologico, studiato con un dispositivo innovativo a geometria chiusa, genera segnali elettrici compatibili con quelli delle retine. Questi risultati, frutto del lavoro di un team di ricercatori internazionale guidato dall’Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”, sono stati pubblicati in un articolo su Scientific Reports
Sono circa 300 milioni nel mondo le persone con handicap visivi. La Retinite Pigmentosa (RP) e la Degenerazione Maculare legata all’età (AMD) sono tra le maggiori cause di perdita, parziale o totale, della vista e comportano il deterioramento dei fotorecettori retinici.
Nell’occhio umano, la retina contiene diversi strati cellulari tra cui quello dei fotorecettori, coni e bastoncelli, che convertono la luce in segnali elettrici e sono responsabili della visione notturna e a colori. Negli ultimi decenni, le protesi retiniche per il recupero della sensibilità visiva, hanno fatto enormi progressi. Tuttavia, essendo principalmente costituite da tradizionali elettrodi metallici o comunque rigidi, sono poco flessibili e poco biocompatibili.
Più recentemente, materiali elettronici organici e fotosensibili si sono mostrati molto promettenti, anche impiantati in vivo, per la trasduzione di stimoli luminosi in retine degenerate. Tali materiali sono flessibili e possono essere depositati come comuni inchiostri. Finora, negli studi sulla Retina Artificiale, la sensibilità spettrale è stata considerata singolarmente, cioè un polimero per volta. Ma, essendo la visione dei colori un obiettivo auspicabile, è sembrato interessante cercare di riprodurre le caratteristiche dei fotorecettori usando pixels di diversi polimeri fotosensibili a differenti regioni dello spettro della luce visibile, quindi potenzialmente in grado di fornire sensibilità ai colori. In questo ambito ha lavorato un team internazionale di ricercatori, provenienti da quattro diversi istituti di ricerca che ha pubblicato i risultati del progetto in un articolo: “Colour-sensitive conjugated polymer inkjet-printed pixelated artificial retina model studied via a bio-hybrid photovoltaic device” apparso su Scientific Reports, il giornale open-access della Nature Publishing Group, evidenziando i progressi ottenuti.
I membri del team lavorano presso l’Università degli Studi di Roma “Tor Vergata” (Dipartimento di Ingegneria Elettronica e Dipartimento di Biomedicina e Prevenzione), l’University of Surrey (Department of Electrical and Electronic Engineering, Faculty of Engineering and Physical Sciences, Advanced Technology Institute, Guildford, UK), l’Istituto di Struttura della Materia (CNR-ISM, Rome, Italy), Cicci Research srl. (Grosseto, Italy), e l’EMBL (European Molecular Biology Laboratory, Epigenetics and Neurobiology Unit, Monterotondo, Italy).
“Abbiamo progettato e realizzato un modello di Retina Artificiale stampata costituita da pixels di differenti polimeri organici. I tre polimeri utilizzati hanno spettri di assorbimento molto simili a quelli dei coni e dei bastoncelli che si trovano nella retina umana e che ci permettono di vedere i colori. Inoltre sono stati stampati seguendo un layout ad anelli concentrici, ideato per riprodurre, seppur in modo semplificato, lo schema anatomico della retina umana”, riporta Manuela Ciocca (postdoc presso il Dipartimento di Ingegneria Elettronica - Tor Vergata), primo autore del lavoro pubblicato, e vincitrice anche di una borsa di studio del programma Torno Subito della Regione Lazio, per la collaborazione con l’università di Surrey. “Abbiamo verificato che il processo di foto-trasduzione dalla retina artificiale alla soluzione elettrolitica utilizzata, e che imita i fluidi extracellulari che si trovano nei nostri tessuti, attraverso un innovativo dispositivo opto-elettronico a geometria chiusa, permetteva la generazione di segnali elettrici compatibili con quelli che si riscontrano nelle retine” continua Ciocca. “Questo dispositivo bio-ibrido è vantaggioso rispetto ai tradizionali sistemi d’indagine utilizzati in elettrofisiologia, perché è compatto, richiedendo piccole quantità di soluzione elettrolitica, facile da utilizzare, trasportabile e di dimensioni adattabili alle necessità di lavoro. Tutto ciò lo rende inoltre più facilmente utilizzabile nei laboratori di ingegneria elettronica, fisica o chimica, come strumento di indagine per interfacce bio-elettroniche” aggiunge il professor Thomas M. Brown (Dip. Ingegneria Elettronica – Tor Vergata), coordinatore del gruppo di ricerca, “inoltre il foto-rivelamento attraverso pixels polimerici di tre colori, permette di risolvere la luce spettralmente e spazialmente”. La prof.ssa Antonella Camaioni, che ha curato insieme alla dott.ssa Serena Marcozzi (Dip. Biomedicina e Prevenzione – Tor Vergata) l’interfaccia biologica, afferma: “Abbiamo dimostrato che ogni singolo polimero organico utilizzato è del tutto biocompatibile”.
Il numero dei pixels del modello di Retina Artificiale con distinti spettri di assorbimento, che imitano la sensibilità cromatica dei fotorecettori dell’occhio, e che sono interfacciati con la soluzione elettrolitica, è di 42100, la densità dei fotorecettori artificiali è di ∼11000 pixels/cm2 e la corrispondente risoluzione spaziale è di 267 dpi (dots per inch), con il diametro dei pixels di ∼95 micrometri (simile alla larghezza di un capello umano).
Studi futuri verteranno sulla comparazione e l’interazione tra il modello di retina artificiale e quella reale. Le tecniche di stampa permettono il posizionamento di differenti materiali in posizioni prestabilite. In vista di un futuro basato sulla medicina personalizzata e con lo sviluppo di tecniche ad alta risoluzione (per esempio ≤ 10 micrometri che è il diametro dei veri fotorecettori retinici umani), si potrebbe pensare di fare prima un imaging strutturale di una retina umana danneggiata e poi stampare i fotorecettori artificiali, i pixels polimerici, riproducendo esattamente la disposizione dei fotorecettori di cui si vuole recuperare la funzionalità. Inoltre, il nuovo dispositivo permetterà di affinare la conoscenza dei processi di trasduzione del segnale luminoso tra i diversi materiali fotosensibili e il bio-elettrolita liquido.
I risultati sono pubblicati su Scientific Reports (open access):
“Colour-sensitive conjugated polymer inkjet-printed pixelated artificial retina model studied via a bio-hybrid photovoltaic device”. Manuela Ciocca, Pavlos Giannakou, Paolo Mariani, Lucio Cinà, Aldo Di Carlo, Mehmet O. Tas, Hiroki Asari, Serena Marcozzi, Antonella Camaioni, Maxim Shkunov, Thomas M. Brown. DOI: https://rdcu.be/cbQ6g