Smart clothing

Covid: la mascherina del futuro

Creata dagli scienziati della Shanghai Tongji University, la smart mask bioelettronica rileva nell’aria i virus respiratori più comuni e avverte chi la indossa: un passo fondamentale nella lotta e prevenzione ai focolai delle malattie infettive che ha visto protagonista anche la ricerca italiana

Pubblicato il 03 Ott 2022

Lo sviluppo di una mascherina intelligente per la rilevazione precoce dei virus respiratori potenzialmente pandemici è al centro di diversi progetti di ricerca nel mondo, già conclusi o ancora in corso. Per le sue caratteristiche biotecnologiche e l’elevatissima sensibilità, il sensore creato di recente alla Shanghai Tongji University sembra aver centrato gli obiettivi più importanti, soddisfacendo le esigenze di massima capacità di analisi, attendibilità, miniaturizzazione e costi contenuti.
Tali caratteristiche lasciano prevedere una diffusione rapida del nuovo dispositivo medico smart con biosensore ionico integrato, a partire dagli ambienti sanitari.

La mascherina intelligente avverte se c’è rischio d’infezione

L’idea dei ricercatori della Shanghai Tongji University è potenzialmente di grande rilievo tanto per i comuni cittadini quanto per tutti i professionisti medico-sanitari: una mascherina smart dotata di un sensore intelligente potenzialmente capace di prevenire le più comuni infezioni respiratorie – da quelle di una banale influenza a quelle pandemiche del Sars-Cov-2 – e la loro rapida propagazione.
Lo smart sensor integrato nella face mask, infatti, è in grado di rilevare i virus nell’aria anche se presenti a bassissime concentrazioni. Inoltre, in caso di rischio concreto di infezione, il dispositivo è in grado di trasmettere un alert allo smartphone dell’utilizzatore.
Il traguardo degli studiosi, pubblicato di recente sulla rivista scientifica Matter, rappresenta un concreto passo avanti nella riduzione sia dei rischi pandemici da agenti virali sia di insorgenza della patologia respiratoria da parte di chi lo indossa.

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Smart mask: il ruolo chiave nella prevenzione delle pandemie

L’aspetto interessante che sottende all’ideazione di questo nuovo dispositivo medico è lo spostamento della prospettiva d’indagine: dall’individuazione e riconoscimento dei virus respiratori già presenti nel corpo di chi è già stato infettato, all’evidenza di un potenziale rischio virale nell’ambiente. Questo campo di ricerca, ancora poco esplorato a fondo, ma certamente non nuovo, promette celeri sviluppi grazie all’ingegneria biomedica e alla tecnologia Internet of Things (IoT) dei biosensori indossabili, senza i quali l’analisi in tempo reale dei virus nell’aria non sarebbe possibile. Nell’ideazione e creazione della loro mascherina intelligente, i ricercatori dell’Università di Shanghai sono riusciti a coniugare la più avanzata ingegneria biomedica con le tecnologie IoT creando un dispositivo di analisi dalla sensibilità elevatissima rispetto alle capacità dei biosensori della stessa categoria sviluppati precedentemente.

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La mascherina intelligente della Shanghai Tongji University rileva i virus nell’aria attraverso un biosensore e avvisa chi la indossa con un messaggio sul cellulare (illustrazione: Matter)

Mascherina intelligente: le caratteristiche del sensore

“Ricerche precedenti hanno dimostrato che indossare una mascherina può ridurre il rischio di diffusione e di contrarre la malattia. Quindi, volevamo crearne una in grado di rilevare la presenza di virus nell’aria e allertare chi la indossa” – ha affermato Yin Fang, autore principale dello studio che ha portato all’ideazione della mascherina intelligente.
E i ricercatori della Shanghai Tongji University sono riusciti nel loro ambizioso obiettivo anche (e soprattutto) grazie a un piccolo sensore integrato nella smart mask che rivela i virus grazie agli aptameri, molecole sintetiche capaci di legare uno specifico bersaglio biologico quale una proteina, un virus o una cellula.

Queste le principali peculiarità del biosensore ionico integrato nella mascherina intelligente ideata a Shanghai:

  1. estrema sensibilità
  2. elettronica flessibile del transistor
  3. possibilità di miniaturizzazione
  4. semplicità di fabbricazione
  5. presenza di molecole biosintetiche (aptameri)
  6. capacità del sensore di amplificare le rilevazioni
  7. costi contenuti

Dentro la tecnologia della smart mask

I virus H1N1, H5N1, COVID-19, fino al vettore dell’influenza comune, si propagano nell’aria immerse in micro-goccioline o aerosol. Normalmente, il rilevamento di campioni in mezzi gassosi è ostacolato prevalentemente dalle basse concentrazioni di agenti patogeni nell’ambiente e dalle dimensioni dei micro-droplet.
Gli studiosi della Shanghai Tongji University hanno pensato di “intrappolare” i virus presenti nell’aria in un gel ionico ad alta conducibilità inserito in speciali transistor e rilevarne la presenza attraverso specifiche molecole sintetiche, gli aptameri, che funzionano come gli enzimi. Essi, infatti, si legano solo a particolari proteine peculiari di ciascuna specie di virus, permettendo quindi la determinazione della tipologia.

Facemask can detect viral exposure from a 10-minute conversation with an infected person
La mascherina intelligente in un esperimento di prova (fonte: Science X)

Grazie alla natura del transistor, il sensore della mascherina intelligente è in grado di misurare la presenza di bassissime concentrazione di agenti patogeni (0.1 fg/mL) in campioni liquidi di 0.3μL e in campioni di mezzi gassosi. L’elettronica del transistor, poi, amplifica il segnale e lo rende significativo.
Il principio tecnologico su cui si basa la comunicazione dell’output del biosensore allo smartphone dell’utente è lo stesso utilizzato per qualsiasi dispositivo IoT indossabile.

Recentemente, sono stati sviluppati diversi tipi di biosensori per il rilevamento di virus utilizzando tecniche elettrochimiche o ottiche (risonanza plasmonica di superficie, fluorescenza e luminescenza).
I transistor ionici (IGT), però, hanno attirato l’attenzione nel campo della bioelettronica grazie all’efficienza nell’amplificazione del segnale di uscita, alla flessibilità meccanica, alla facilità di fabbricazione e alla possibilità di miniaturizzazione.

Mascherina intelligente: il contributo della ricerca italiana

L’uso degli aptameri nella lotta al coronavirus, invero, non è un’intuizione dei ricercatori di Shanghai ma, piuttosto, l’eredità di una ricerca internazionale alla quale ha preso parte anche l’Italia con l’Istituto di ricerca genetica e biomedica (Irgb) del Consiglio nazionale delle ricerche di Cagliari.
La ricerca, pubblicata sulla rivista scientifica internazionale Chemistry-A European Journal – si legge al proposito in una nota del Cnr – è relativa alla  messa a punto di una sofisticata metodologia per la scoperta razionale di nuovi aptameri, molecole sintetiche che potrebbero rivelarsi (e si sono infatti poi rivelate, ndr.) ottime alleate nella lotta al coronavirus in quanto capaci di “legare” uno specifico bersaglio biologico – quale una proteina, un virus, o una cellula – alterandone le caratteristiche strutturali e funzionali.
Nello specifico, lo studio aveva illustrato come fosse possibile isolare aptameri in grado di legare la proteina Spike del virus SARS-CoV-2 e di bloccare, così, la “chiave” che consente al virus di infettare altre cellule: una metodologia che consentirebbe di sviluppare rapidamente molecole adattabili all’insorgenza di nuove varianti o ceppi del virus.
Gli aptameri – si legge infatti nella nota – presentano caratteristiche di affinità e specificità di legame con il loro bersaglio simili, se non superiori, a quelle dei più noti anticorpi, ma a differenza di questi ultimi possono essere rapidamente modificati nella loro struttura in risposta alla comparsa di mutazioni nel target, come è avvenuto più volte nel caso della proteina Spike dallo scoppio della pandemia.
Per il nostro Paese, a questo importante studio internazionale, in qualche modo precursore della mascherina intelligente di Shanghai, hanno partecipato Gerolama Condorelli, Giorgia Oliviero e Nicola Borbone, docenti dell’Università Federico II di Napoli e Vittorio de Franciscis, ricercatore del Cnr-Irgb.

Tecnologie: un’arma in più contro le pandemie

“Il vantaggio di questa metodologia – ha spiegato De Franciscis a proposito del suddetto studio internazionale – consiste nella possibilità di sfruttare la potenza del supercomputer per selezionare rapidamente altre molecole bloccanti nuove varianti del virus responsabile del Covid-19 o di eventuali nuovi virus, e quindi essere rapidi nell’affrontare potenziali nuove diffusioni di varianti del virus. La mancanza di tecnologie adeguate allo sviluppo rapido di molecole per fini diagnostici e terapeutici è stata una delle più evidenti carenze nel contrasto della pandemia: ora abbiamo un’arma in più contro l’insorgenza di nuove varianti o ceppi del virus”.

Gli obiettivi ambiziosi della ricerca

Il progetto biotecnologico-ingegneristico alla base della mascherina intelligente dei ricercatori della Shanghai Tongji University prende le mosse in Cina all’indomani di vaste pandemie provocate dalla diffusione di virus perniciosi e mutanti come Sars-Cov-2. L’obiettivo della ricerca, quindi, è l’intercettazione preventiva degli agenti patogeni che potrebbero rappresentare un pericolo concreto per l’intera collettività.
Nelle intenzioni dei ricercatori, dunque, la mascherina smart dovrebbe essere indossata da tutti i cittadini. Il proposito degli studiosi relativo a un così vasto utilizzo, al momento, appare ambizioso. Tuttavia, per il personale medico-sanitario, la mascherina intelligente potrebbe rappresentare una vera svolta per lo svolgimento della professione. Nella corsia di un ospedale, così come in un laboratorio d’analisi o di ricerca, la mascherina smart potrebbe in primo luogo consentire l’individuazione precoce dei virus e, successivamente, supportare la decisione di mettere in isolamento immediato gli ambienti contaminati. Il sistema, nella sua apparente semplicità d’uso, ha quindi la potenzialità di garantire una protezione ottimizzata a operatori e pazienti.

Mascherine intelligenti e lotta ai virus: gli altri studi

I biosensori indossabili non sono una novità nel campo della ricerca precoce dei virus.
Lo scorso anno, ad esempio, i ricercatori del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering del MIT di Boston e dell’Università di Harvard avevano puntato alla rilevazione del virus SARS-CoV-2 attraverso un biosensore programmabile integrato nei tessuti.

Wearable Synthetic Biology: Clothing that can detect pathogens and toxins
La tecnologia wFDCF del Wyss Institute può rivelare il virus del COVID-19 dal respiro dei pazienti e può anche essere integrata negli indumenti per rilevare un’ampia varietà di agenti patogeni e altre sostanze tossiche (fonte: Wyss Institute – Harvard University)

Esso è stato il risultato di 3 anni di lavoro ed esperimenti basati su una particolare “tecnologia indossabile priva di cellule” (wFDCF): “Volevamo contribuire allo sforzo globale per combattere il virus e ci è venuta l’idea di integrare il wFDCF nelle maschere facciali per rilevare SARS-CoV-2”, ha affermato Luis Soenksen, primo autore dello studio.

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Prototipo della mascherina intelligente creata dagli ingegneri del MIT di Boston e dell’Università di Harvard (fonte: MIT News Office)

“Questa tecnologia potrebbe essere incorporata nei camici da laboratorio per gli scienziati che lavorano con materiali pericolosi o agenti patogeni, camici per medici e infermieri o nelle uniformi dei primi soccorritori e del personale militare che potrebbero essere esposti ad agenti patogeni pericolosi o tossine, come i gas nervini”, ha sottolineato Nina Donghia, scienziato del Wyss Institute e coautore della ricerca.

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