Melanina bioelettronica per i circuiti cyborg del futuro / Bioelectronic melanin for the cyborg circuits of the future

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Un gruppo di ricercatori dell’Università di Napoli Federico II è riuscito ad aumentare di un miliardo di volte la conduttività elettrica della melanina, rendendola un candidato ideale per i bio-circuiti del futuro.

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 bio–compatibili. 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 biologiaallo 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.

ENGLISH

A group of researchers from the University of Naples Federico II has succeeded in increasing the electric conductivity of melanin by one billion times, making it an ideal candidate for future bio-circuits.

Cyborg: the union between man and machine. A concept that may appear to be science fiction and perhaps even scary, even if in several fields the integration between living organisms and machines has been a reality for decades. An example above all? The pacemaker, an electronic device on the whole simple, but that has allowed to save the lives of millions of people around the world. To create a new generation of implantable devices, even more complex and promising, what is needed are adequate materials, compounds capable of conducting electricity but which are at the same time bio-compatible. And a revolution in this field comes from Italy: a team of researchers from the Federico II of Naples, Enea Portici and the CNR of Bari and Naples found a method to transform a 100% natural pigment like melanin, present in the skin of all of us, in a perfect conductive material, with which the implantable circuits of the future could be made. The discovery was presented on the pages of Frontiers in Chemistry.

Melanin

Melanin, or rather melanins (since there are different types) are pigments present in all forms of life, are not toxic, do not cause immune reactions and are completely biodegradable. The type of melanin the researchers worked on is eumelanin, a dark brown pigment that gives color to hair and eyes, and protects our skin from the harmful effects of the sun. Eumelanin, in its natural form, clearly meets the restrictions imposed by biology on the development of implantable devices, but not those of electronics. Its ability to conduct current is in fact known for some time, but it is not high enough to be properly exploited in the field of bioelectronics. And it is here that the Federico II team of researchers coordinated by Alessandro Pezzella comes into play. "This is a line of research that has a long tradition in our city - says Pezzella - which can be linked up to the foundation of the Anton Dorhn zoological station in Naples, which occurred towards the end of the nineteenth century, where studies on natural pigments have always been carried out" .

Research

Italian scientists have finally succeeded in unlocking the potential of eumelanin, known since the 1970s but remained unused until today, thanks to an in-depth study of the molecular structure of this substance. Eumelanin is in fact composed of many "molecular sheets" that appear to be scattered in disorder. The idea was therefore to do a bit of order: reorganize the sheets and align them, so that they can exchange electrons with each other and therefore transport electric current more easily. To do this, they resorted to thermal dehydration, a process that removes moisture and carbon dioxide trapped inside the eumelanin, a real electronic transfer trap, without affecting the chemical composition of the compound.

"To understand how this process works, one can imagine a rolled aluminum foil - explains Pezzella - which has empty spaces, therefore not metallic and non-conductive, which do not contribute to conductivity. If now this crumpled sheet is compressed with extreme force due to vacuum and heat, most of the empty spaces will be eliminated. The result is an aluminum sheet that is denser, more conductive, but has not lost its fundamental composition ”. In the case of eumelanin, the resulting material is called High Vacuum Annealed EUmelanin (Hvae), and thanks to the thermal dehydration it reaches a conductivity one billion times higher than its starting value. An all-Italian record result, which allowed several international research teams working in the same field to beat. And that for the level of conductivity finally allows eumelanin to transfer electronic impulses, therefore information, with the necessary efficiency to realize safe and effective "cyborg" interfaces.

Order from chaos

All the various analyzes carried out agree that these changes reflect a reorganization of the eumelanin molecules, passed from having a random orientation to a uniform pile configuration able to exchange electrons. The conductivity achieved by Hvae - says Pezzella - should also allow its use for a wide range of applications.

There could be a problem though, because in the experiments carried out by the researchers of the Federico II the immersion of the films in water has caused a significant decrease in conductivity. A possible solution could be a defense of the conductive traits from water through fats, as happens with the nerve pathways in our body that are protected by the myelin sheath to safeguard the electrical transmission. We are not yet aware of the maximum conductivity value that can be achieved, but this fundamental study represents a starting point for numerous future research.

Da:

https://www.galileonet.it/melanina-bioelettronica-per-i-circuiti-cyborg-del-futuro/