Uno studio di modellazione computazionale dell'eccitazione delle cellule neuronali con nanogeneratori triboelettrici

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13411 (2022) Citare questo articolo

1081 accessi

2 citazioni

1 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

Disturbi neurologici e lesioni nervose, come lesioni del midollo spinale, ictus e sclerosi multipla possono provocare la perdita della funzione muscolare. La stimolazione elettrica delle cellule neuronali è il trattamento clinico attualmente disponibile a questo riguardo. Essendo efficaci raccoglitori di energia, i nanogeneratori triboelettrici (TENG) possono essere utilizzati per stimolazioni neurali/muscolari autoalimentate poiché l'uscita del TENG fornisce impulsi di stimolazione per i nervi. Nel presente studio, utilizzando un approccio di modellazione computazionale, è stato studiato l'effetto dei micropattern superficiali sulla distribuzione del campo elettrico, sulla tensione indotta e sulla capacità delle strutture TENG. Incorporando l'effetto del TENG all'interno del modello matematico del comportamento elettrico dei neuroni (equazione del cavo con modello di Hodgkin-Huxley), è stato studiato il suo impatto sul comportamento elettrico dei neuroni. I risultati mostrano che il TENG funziona in modo diverso con varie modifiche superficiali. La prestazione del TENG nell'eccitazione dei neuroni dipende di conseguenza dalla velocità di contatto e di rilascio dei suoi elettrodi.

Gli esseri umani sono circondati da vari tipi di fonti energetiche nell’ambiente, tra cui l’energia solare, termica, meccanica, chimica e biologica1. Inoltre, il corpo umano stesso costituisce una fonte di energia favorevole in quanto semipermanente e facilmente disponibile2. Inoltre, lo sviluppo di fonti energetiche sostenibili è una richiesta inevitabile a causa dell’emergere di dispositivi elettronici portatili e di reti di sensori3. Tra i vari tipi di fonti energetiche, l'energia meccanica ha attirato notevole attenzione a causa della sua disponibilità universale nell'ambiente naturale, nel corpo umano e nelle attività viventi4. Pertanto, sono state condotte ricerche per sviluppare sistemi integrati denominati Nanoenergy, sfruttando micro e nanostrutture in grado di raccogliere facilmente l'energia dall'ambiente e funzionare in modo continuo, indipendente ed efficace5,6,7. Le tecniche di raccolta dell'energia costituiscono una possibile soluzione al problema dell'alimentazione di dispositivi elettronici portatili, dispositivi sanitari e sensori wireless8 che attualmente sono alimentati da batterie. L'applicazione delle normali batterie sta diventando poco pratica e sfavorevole, principalmente a causa della loro durata limitata, delle difficoltà di manutenzione e dei rischi ambientali considerando la fuoriuscita di sostanze chimiche9,10. Oltre alle tecnologie tradizionali per la raccolta meccanica dell'energia per fornire energia ai dispositivi elettronici, i nanogeneratori triboelettrici (TENG) hanno ricevuto molta attenzione negli ultimi anni a causa del loro forte potenziale per l'uso in sistemi autoalimentati11. I TENG sono ampiamente utilizzati per raccogliere e convertire l'energia meccanica in energia elettrica in diverse applicazioni12. Il principio di funzionamento del TENG si basa sulla triboelettrificazione del contatto insieme ad effetti di induzione elettrostatica13. Come da vecchio fenomeno familiare, l'effetto triboelettrico si verifica tra due materiali con diverse affinità triboelettriche e porta al trasferimento di cariche e ad un aumento del potenziale triboelettrico14,15. Quando due materiali sono in contatto e poi separati, il potenziale alternato spinge gli elettroni nel circuito elettrico esterno facendoli muovere avanti e indietro16.

I TENG sono stati ampiamente utilizzati17,18 in varie applicazioni biomediche, come la terapia del cancro19, pacemaker20, monitoraggio del glucosio21, sensori22,23, rilevamento di ioni24, nonché in dispositivi per la stimolazione muscolare25 grazie alla loro notevole potenza di uscita, al peso ridotto e alla facile fabbricazione processo a basso costo, compatibilità ambientale, ampia scelta di materiali disponibili, disponibilità universale e struttura semplice.

La misurazione dei segnali elettrofisiologici provenienti dai muscoli o dai tessuti neurali è di grande importanza nella diagnosi di molte disfunzioni neuronali mentre la stimolazione elettrica del midollo spinale e dei neuroni può essere utilizzata per il trattamento di alcune malattie26,27. Il danno al sistema nervoso umano durante un ictus o una lesione del midollo spinale comporterebbe la debolezza dei muscoli o l'atrofia e potrebbe degenerare fino alla paralisi28,29. La mancanza di innervazione neuronale dovuta al danno neurologico, favorisce l'incapacità muscolare di produrre le forze volontarie necessarie per creare il movimento delle articolazioni30. Pertanto, numerose ricerche scientifiche si sono concentrate sui dispositivi e sulle strategie per aiutare il corpo a ripristinare l'atrofia muscolare, recuperare il movimento e la funzione muscolare dopo un infortunio o un intervento chirurgico30,31.