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La ricerca coordinata dal Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione apre una nuova frontiera nella medicina mini-invasiva: strutture stampate in seta e gelatina che si trasformano all’interno del corpo, con antenna integrata per la localizzazione.
La notizia è stata diffusa il 12 novembre 2025 attraverso il portale ufficiale dell’Università di Pisa e riguarda un dispositivo che ridisegna i confini della medicina mini-invasiva. Un gruppo di ricercatori del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’ateneo pisano ha messo a punto una capsula intelligente capace di essere deglutita, raggiungere l’intestino, aprirsi spontaneamente e aderire come un cerotto al tessuto danneggiato per favorire la guarigione di un’ulcera. Il dispositivo incorpora inoltre un’antenna stampata in 3D e realizzata con materiali biocompatibili, che ne permette la localizzazione all’interno del corpo durante tutto il ciclo di funzionamento.
Dietro il progetto c’è una collaborazione interuniversitaria finanziata dal Ministero dell’Università e della Ricerca nell’ambito del bando PRIN 2022, con il codice identificativo Prometheus (Grant 2022BZLTTK). Il consorzio coinvolge l’Università di Pisa sotto il coordinamento del professor Carmelo De Maria, docente di bioingegneria, l’Università di Firenze guidata dal professor Antonino Morabito e l’Università di Perugia con il gruppo del professor Luca Valentini. La parte pisana del lavoro si è concentrata specificamente sulla stampa a quattro dimensioni, una tecnologia che sta ridefinendo il perimetro tecnico della medicina rigenerativa.
Per capire la portata del dispositivo è necessario chiarire il concetto di stampa 4D. La stampa tridimensionale classica produce oggetti a partire da modelli digitali, depositando materiali strato dopo strato fino a ottenere la geometria desiderata. Le strutture stampate in 3D mantengono la propria forma nel tempo, salvo fenomeni di degradazione meccanica. La stampa 4D, invece, aggiunge un’ulteriore variabile: il tempo. Le strutture realizzate con questa tecnologia sono progettate per trasformare la propria geometria sotto l’effetto di stimoli specifici, come l’idratazione, la temperatura, il pH, l’esposizione alla luce o la presenza di enzimi particolari.
La conseguenza è che un oggetto stampato in 4D non è un prodotto statico, ma un manufatto dinamico. Può essere fabbricato in una configurazione compatta, trasportato, impiantato o ingerito, e poi modificare autonomamente la propria forma quando entra in contatto con l’ambiente bersaglio. Questa proprietà nasce dalla combinazione fra la geometria del manufatto e le caratteristiche dei materiali usati nella stampa. Posizionare in maniera calcolata materiali con coefficienti di rigonfiamento differenti, per esempio, permette di creare tensioni interne che si manifestano solo dopo l’assorbimento di un liquido, producendo un movimento controllato.
Il concetto non è completamente nuovo nella letteratura scientifica. I primi lavori risalgono al 2013, quando il MIT ha pubblicato studi pionieristici sull’auto-assemblaggio di strutture polimeriche. Nei dodici anni successivi la tecnologia ha guadagnato maturità tecnica grazie a progressi paralleli nella chimica dei polimeri intelligenti, nelle stampanti ad alta risoluzione e nei modelli computazionali che permettono di prevedere il comportamento dei materiali in ambienti biologici complessi. Oggi la stampa 4D trova applicazioni in tessuti artificiali, protesi cardiovascolari, stent vascolari auto-espandenti, dispositivi per il rilascio controllato di farmaci, tutti ambiti in cui la capacità di modificare la forma dopo l’impianto rappresenta un valore clinico concreto.
La capsula sviluppata a Pisa sfrutta questi principi con una specifica elegante. Al momento dell’ingestione il dispositivo ha la forma di un piccolo cilindro, una geometria compatta che consente il passaggio senza difficoltà attraverso l’esofago e lo stomaco. Una volta raggiunto il tratto intestinale, entra in gioco il meccanismo 4D: i materiali costituenti iniziano ad assorbire i fluidi presenti nel lume e, grazie a una disposizione spaziale progettata con precisione, la struttura si dispiega trasformandosi in un foglio piatto. Questa nuova configurazione permette al dispositivo di coprire un’area estesa della mucosa, aderendo come un cerotto al tratto danneggiato.
I materiali scelti dal team sono due biopolimeri di origine naturale: la fibroina di seta e la gelatina. La prima è una proteina estratta dai bozzoli del baco da seta (Bombyx mori), caratterizzata da eccellenti proprietà meccaniche, biocompatibilità elevata e profilo di degradazione personalizzabile. La gelatina è un derivato del collagene, materiale abbondante e relativamente economico, utilizzato da decenni in ambito farmaceutico per la produzione di capsule orali tradizionali. La combinazione dei due materiali offre un compromesso interessante fra resistenza strutturale, capacità di rigonfiamento e biodegradabilità.
Nelle parole di Carmelo De Maria, riportate nel comunicato dell’Università di Pisa, «la capsula può coprire un’area più ampia della mucosa intestinale sanguinante e favorirne la rigenerazione. La forma finale è ottenuta grazie a una specifica disposizione spaziale dei materiali, che consente alla struttura di reagire in modo controllato all’ambiente interno del corpo». La citazione mette in luce un aspetto tecnico cruciale: la funzionalità del dispositivo non dipende solo dai materiali in sé, ma dalla geometria con cui questi materiali sono organizzati nel manufatto. Il lavoro di ingegnerizzazione si concentra proprio sulla progettazione di questa disposizione, studiata per ottenere un movimento prevedibile e riproducibile all’interno del tratto gastrointestinale.
Un secondo elemento di novità riguarda l’integrazione di una piccola antenna stampata in 3D nella struttura della capsula. L’antenna è realizzata anch’essa con materiali biocompatibili, una scelta tecnica non banale perché le antenne tradizionali utilizzano metalli conduttivi (rame, argento, oro) non adatti all’ingestione senza specifici incapsulamenti. Il gruppo di Pisa ha lavorato su soluzioni alternative che combinano polimeri conduttivi e altre strategie di ingegnerizzazione dei materiali, garantendo sia la funzionalità elettromagnetica sia la compatibilità con l’ambiente biologico.
La funzione dell’antenna è duplice. In primo luogo segnala la presenza del dispositivo nel corpo subito dopo l’ingestione, permettendo al personale clinico di seguire il percorso della capsula lungo il tratto digestivo. In secondo luogo, quando la struttura incontra l’ulcera e si dispiega nella sua forma di cerotto, l’antenna consente una comunicazione continua con l’esterno, fornendo informazioni sul posizionamento e sulla fase di funzionamento del dispositivo. La comunicazione resta attiva fino alla degradazione completa del manufatto. Se la capsula non incontra l’ulcera, viene espulsa attraverso il normale transito intestinale, senza conseguenze cliniche per il paziente.
Questa capacità di tracciabilità in tempo reale rappresenta un vantaggio significativo rispetto ai dispositivi ingeribili tradizionali. Nelle capsule endoscopiche più note, come quelle sviluppate da produttori internazionali per l’esplorazione visiva del piccolo intestino, l’informazione viene raccolta tramite una videocamera miniaturizzata e trasmessa a un dispositivo esterno indossato dal paziente. Il modello pisano introduce una logica diversa: non si tratta di osservare l’ambiente interno, ma di sapere dove si trova il dispositivo terapeutico e in quale fase di funzionamento si trova. È un cambio di prospettiva che prepara il terreno a una generazione di dispositivi programmabili capaci di agire in modo mirato.
Le ulcere del tratto gastrointestinale rappresentano una delle principali sfide della medicina interna. Si tratta di lesioni della mucosa che possono formarsi per cause diverse, fra cui le malattie infiammatorie intestinali (malattia di Crohn e colite ulcerosa), l’assunzione prolungata di farmaci antinfiammatori non steroidei, le infezioni batteriche, le complicanze di terapie oncologiche. Nei casi più gravi le ulcere possono provocare sanguinamenti, perforazioni e richiedere interventi chirurgici complessi. La gestione terapeutica attuale si basa su farmaci somministrati per via orale o endovenosa, il cui effetto si distribuisce sull’intero organismo e non sempre raggiunge in concentrazione sufficiente la lesione.
Un dispositivo capace di aderire specificamente al tessuto ulcerato offrirebbe una serie di vantaggi. Consentirebbe di veicolare principi attivi direttamente sul sito della lesione, riducendo la dose sistemica e i relativi effetti collaterali. Potrebbe accelerare la rigenerazione tissutale fornendo un supporto meccanico e biochimico per la ricrescita della mucosa. Eviterebbe procedure invasive come l’endoscopia operativa, che richiede sedazione e personale specializzato. La capsula sviluppata a Pisa non è ancora un prodotto clinicamente utilizzabile, ma traccia una direzione di ricerca che potrebbe portare, nell’arco di alcuni anni, a terapie più mirate per i pazienti con malattie intestinali croniche.
Il lavoro pisano si inserisce in una cornice più ampia di ricerca coordinata a livello nazionale. Il PRIN (Programma di Ricerca di Interesse Nazionale) è il principale strumento di finanziamento competitivo del Ministero dell’Università e della Ricerca per la ricerca di base. Il bando 2022, sotto il quale è stato approvato il progetto Prometheus, ha mobilitato risorse significative grazie alla combinazione fra fondi ordinari e risorse del Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza. I progetti finanziati coprono un’ampia gamma di discipline e vengono selezionati attraverso peer review internazionale.
Prometheus è un acronimo che rimanda al titano della mitologia greca, portatore del fuoco e simbolo dell’innovazione scientifica. Il progetto coinvolge tre atenei con competenze complementari. Pisa porta il know-how nella stampa 4D e nell’ingegneria dei dispositivi medicali, Firenze contribuisce con la parte clinica e chirurgica coordinata da Antonino Morabito, specialista in chirurgia pediatrica, Perugia apporta l’esperienza del gruppo di Luca Valentini nella scienza dei materiali e nella caratterizzazione dei biomateriali. Questa triangolazione rappresenta un modello di collaborazione interuniversitaria che trova nel PRIN la cornice istituzionale ideale: ogni nodo della rete si occupa di una parte specifica, e il risultato finale è un dispositivo che nessuno dei tre gruppi avrebbe potuto realizzare autonomamente.
Il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa, sede principale del lavoro sulla stampa 4D, ha una lunga tradizione nella ricerca bioingegneristica. Al suo interno operano laboratori di robotica medica, ingegneria dei tessuti, elettronica biomedicale, modellazione computazionale dei sistemi biologici. La capsula Prometheus si colloca in un filone che il dipartimento ha coltivato da anni, dedicato allo sviluppo di dispositivi mini-invasivi capaci di interagire dinamicamente con i tessuti biologici.
La scelta di fibroina di seta e gelatina come materiali costruttivi risponde a requisiti stringenti. Un dispositivo ingeribile destinato a entrare in contatto con la mucosa intestinale deve essere biocompatibile, cioè non provocare reazioni immunitarie o tossiche, e biodegradabile, ovvero dissolversi in prodotti non nocivi una volta esaurita la propria funzione. La fibroina di seta offre un profilo particolarmente interessante: la letteratura scientifica consolidata documenta oltre tre decenni di utilizzo in applicazioni biomedicali, dalle suture chirurgiche ai supporti per la rigenerazione tissutale, con profili di sicurezza ben caratterizzati.
La gelatina, derivata dal collagene tramite idrolisi parziale, è anch’essa ampiamente utilizzata. Nell’industria farmaceutica costituisce il materiale principale delle capsule orali tradizionali da oltre un secolo. Le sue proprietà di rigonfiamento in ambiente acquoso e la sua capacità di formare reti idrogel la rendono ideale per applicazioni in cui la reattività all’idratazione è un elemento funzionale. L’Università di Perugia, nell’ambito del progetto Prometheus, ha lavorato specificamente sull’ottimizzazione delle miscele di seta e gelatina per ottenere il comportamento di rigonfiamento desiderato nei tempi e nelle modalità corretti.
Il profilo di degradazione del dispositivo è un altro parametro chiave. Una capsula che si dissolve troppo rapidamente non riesce a completare la propria funzione terapeutica. Una capsula che persiste troppo a lungo rischia di creare ostruzioni o irritazioni. I materiali scelti dal team pisano permettono di calibrare il tempo di degradazione in funzione dell’uso previsto, modulando parametri come il grado di reticolazione dei polimeri e la proporzione fra fibroina e gelatina.
La capsula Prometheus rappresenta un esempio concreto di quella che la letteratura scientifica chiama medicina personalizzata: terapie calibrate sulle caratteristiche specifiche del singolo paziente, anziché protocolli uniformi applicati indipendentemente dal profilo individuale. Nel caso del dispositivo pisano la personalizzazione si gioca su più livelli. Le dimensioni della capsula possono essere adattate all’anatomia del paziente e alla posizione della lesione. La composizione dei materiali può essere modulata per garantire un tempo di dispiegamento coerente con il transito intestinale di quel soggetto specifico. L’antenna può essere tarata su frequenze e potenze adeguate al contesto anatomico.
La prospettiva si allarga se si considera la possibilità di integrare farmaci all’interno della struttura. La capsula potrebbe trasportare principi attivi che vengono rilasciati solo al momento del dispiegamento, in prossimità della lesione. Questa logica di rilascio controllato site-specific è uno dei pilastri della ricerca farmacologica contemporanea. Lavori pubblicati su riviste come Nature, Advanced Materials e Advanced Healthcare Materials documentano dispositivi analoghi per lo stomaco, l’esofago, la vescica urinaria, ciascuno con specifiche geometrie di auto-dispiegamento pensate per l’organo bersaglio.
De Maria ha sintetizzato la prospettiva nel comunicato dell’ateneo pisano: «Con la stampa 4D possiamo progettare oggetti che cambiano forma e funzione nel tempo, proprio come i tessuti viventi. È una rivoluzione che unisce ingegneria dei materiali e scienze della vita». La frase condensa una visione che va oltre il singolo dispositivo. I tessuti biologici si adattano continuamente all’ambiente, rispondendo a stimoli meccanici, chimici ed elettrici con modifiche di struttura e funzione. Un dispositivo medicale capace di replicare, anche solo parzialmente, questa dinamica si integra meglio con il corpo ospitante e offre prestazioni terapeutiche superiori rispetto a soluzioni statiche.
Il passaggio dal prototipo di laboratorio all’applicazione clinica richiede ancora molto lavoro. Il dispositivo dovrà superare le fasi di test preclinico, con studi su modelli animali che valutino l’efficacia terapeutica, il profilo di sicurezza, la riproducibilità del comportamento in vivo. Successivamente sarà necessario il percorso di sperimentazione clinica, articolato in più fasi secondo i protocolli stabiliti dall’Agenzia Italiana del Farmaco e dalle autorità regolatorie europee (EMA). Si tratta di un iter che tipicamente richiede diversi anni e investimenti consistenti, spesso possibili solo attraverso partnership fra accademia e industria farmaceutica.
Un altro nodo riguarda la scalabilità produttiva. La stampa 4D è una tecnologia ancora relativamente giovane e la produzione in volumi compatibili con un mercato clinico richiede processi industriali consolidati, certificazioni di qualità, sistemi di controllo che garantiscano la riproducibilità di ogni singola unità prodotta. Il passaggio dalla stampante di laboratorio alla linea industriale non è automatico e può richiedere una revisione completa dei materiali e dei parametri di processo.
Resta inoltre da affinare l’integrazione fra la parte meccanica della capsula e la parte elettronica dell’antenna. Le comunicazioni wireless all’interno del corpo umano sono complicate dall’attenuazione dei tessuti biologici sulle onde elettromagnetiche. I dispositivi impiantabili esistenti, come i pacemaker o le pompe per insulina, utilizzano frequenze specifiche e protocolli ottimizzati per superare queste difficoltà. La capsula pisana dovrà adottare soluzioni analoghe, tenendo conto della dimensione ridotta dell’antenna e della natura biodegradabile dei suoi componenti.
Il progetto Prometheus si inserisce in un panorama nazionale che ha tradizioni importanti nel settore dei dispositivi medicali miniaturizzati. La Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, per esempio, ha sviluppato nell’ultimo decennio una serie di capsule endoscopiche sperimentali con capacità diagnostiche avanzate. Il Politecnico di Milano lavora da anni su microdispositivi per la somministrazione di farmaci. L’Istituto Italiano di Tecnologia ha linee di ricerca dedicate ai biomateriali e alla robotica medicale. La rete di competenze è distribuita su diversi poli e costituisce un asset strategico per il Paese.
I finanziamenti PRIN, insieme ai progetti europei di Horizon e alle risorse PNRR, stanno sostenendo questa filiera scientifica nei momenti chiave del suo sviluppo. Il coinvolgimento di tre atenei pubblici in Prometheus è un esempio di come il sistema universitario italiano possa funzionare in modo cooperativo su obiettivi di alta complessità. La dimensione del progetto è adeguata al tipo di ricerca richiesta: abbastanza ampia da permettere una divisione del lavoro coerente, abbastanza contenuta da mantenere agili le dinamiche di coordinamento.
Sul piano internazionale la competizione è serrata. Gruppi di ricerca statunitensi del MIT, di Harvard, del Georgia Tech lavorano su problematiche analoghe con finanziamenti spesso superiori. Centri di eccellenza cinesi, tedeschi, olandesi, svizzeri contribuiscono al progresso del campo. La capsula pisana non è un prodotto isolato ma una voce in un dialogo scientifico globale che avanza con ritmo rapido. Il contributo italiano ha la propria specificità proprio nella combinazione fra rigorosa ingegneria dei materiali, approccio clinicamente orientato e attenzione alle applicazioni chirurgiche concrete.
I prossimi anni diranno se la capsula Prometheus si trasformerà in un dispositivo clinicamente disponibile. Il percorso standard prevede la pubblicazione di risultati sperimentali su riviste scientifiche peer-reviewed, l’avvio di collaborazioni con partner industriali, la definizione di protocolli di sperimentazione clinica, il superamento delle fasi regolatorie. Ciascuno di questi passaggi presenta rischi e incognite. La storia della ricerca biomedicale è piena di dispositivi promettenti in fase preclinica che non hanno completato il percorso verso il mercato per ragioni tecniche, economiche o regolatorie.
Il valore del lavoro pisano, al netto di queste incertezze, sta nella dimostrazione di un principio di funzionamento. Mostra che è possibile progettare dispositivi ingeribili capaci di modificare autonomamente la propria forma all’interno del corpo, di aderire specificamente a lesioni della mucosa, di comunicare con l’esterno tramite antenne biocompatibili. Ognuna di queste capacità, anche considerata isolatamente, apre scenari applicativi interessanti. La combinazione di tutte e tre in un unico manufatto rappresenta un punto di riferimento tecnico per la ricerca futura.
La stampa 4D, tecnologia ancora in fase di maturazione, potrebbe diventare uno dei pilastri della medicina dei prossimi decenni. La capsula Prometheus contribuisce a definire la direzione di sviluppo di questo campo, unendo competenze italiane distribuite su tre atenei e due ambiti disciplinari distinti. La prospettiva di dispositivi intelligenti capaci di interagire dinamicamente con i tessuti biologici non è più una speculazione teorica: è un programma di ricerca concreto, con prototipi funzionanti e obiettivi clinici definiti, sostenuto da finanziamenti pubblici e da una rete di collaborazioni scientifiche. Il cerotto ingeribile sviluppato a Pisa, Firenze e Perugia è uno dei primi segnali tangibili di questa trasformazione.
