O sistema nervoso é carregado com informações codificadas:pensamentos, emoções, Controle motor. Este sistema em nossos corpos é um enigma, e quanto mais podemos fazer para entendê-lo, mais podemos fazer para melhorar a vida humana. As interfaces cérebro-máquina fornecem uma maneira de se conectar com este intrigante sistema de órgãos, incluindo o cérebro. Mas porque os dispositivos eletrônicos são rígidos, planar, e rígido, eles causam danos aos tecidos moles do cérebro.

Até agora, tem sido extremamente desafiador desenvolver um material e método de fabricação que seja flexível o suficiente para se fundir com o cérebro, mas adesivo o suficiente para ficar no mesmo lugar. Contudo, O professor associado de Ciência e Engenharia de Materiais da Carnegie Mellon University e de Engenharia Biomédica Chris Bettinger e seu grupo criaram um material de hidrogel e um processo de fabricação para eletrodos que se fixam no cérebro, combinando com seu macio, maquiagem mole.

"Imagine que você tem uma tigela de gelatina, e você insere um garfo de plástico rígido na tigela e o movimenta, "diz Bettinger." Isso vai danificar o Jell-O, produzindo defeitos e mudanças estruturais irreversíveis. Essa situação é análoga à inserção de uma sonda eletrônica rígida em tecidos moles, como o cérebro de alguém. É uma combinação do que chamamos de micromovimento e mecânica, que trabalham juntos para não apenas danificar o cérebro, mas também compromete a função do sensor implantado. "

O eletrodo rígido detecta quando os neurônios estão disparando e registra as tensões associadas a esses neurônios em disparo. Mas com o tempo, o corpo interpreta este material como uma lesão e um corpo estranho que precisa ser atacado, degradado, isolado, e removido. As células inflamatórias circundam a sonda, perturbando a intensidade do sinal dos neurônios nessa área.

Nos últimos vinte anos, a eletrônica baseada em silício progrediu de rígida e plana na forma para curva, flexível, e extensível. A rigidez desses eletrônicos evoluiu de serem rígidos como madeira, para fino e flexível como o papel, para esticar e flexível como elásticos. Agora, A equipe de Bettinger está dando um passo adiante, tornando-os não apenas flexíveis e extensíveis, mas também extremamente macio e adesivo.

"Se pudéssemos fabricar dispositivos eletrônicos com propriedades mecânicas mais próximas de 'Jell-O' em vez de madeira ou plástico, então podemos disfarçar a interface de sondas neurais com o cérebro de uma maneira mais benigna, "diz Bettinger.

O desafio é que os processos usados ​​para fazer eletrônicos sofisticados requerem altas temperaturas (400 C ou mais), um vácuo, e solventes exóticos, buffers, ácidos, e bases para gravar materiais e padrões. Nenhum deles é compatível com materiais de hidrogel macio.

Para combater essas questões fundamentais, Bettinger e sua equipe criaram uma nova maneira de fabricar a parte eletrônica - desacoplando os processos de fabricação da parte eletrônica e do substrato macio em que está embutida. Primeiro, eles constroem a parte eletrônica em um substrato compatível com altas temperaturas, solventes extremos, e um vácuo, e criar o substrato de hidrogel separadamente. Então, eles removem a peça eletrônica de seu substrato original e a aderem ao substrato de hidrogel. O dispositivo final contém uma fina camada de eletrônicos em um flexível, e substrato pegajoso que possui propriedades mecânicas semelhantes às do sistema nervoso.

Outro desafio foi criar um material que ainda fosse adesivo em fluido. Se o material não puder aderir quando molhado, seria como tentar manter um band-aid na piscina. Para que o eletrodo funcione, ele precisa ficar preso no mesmo lugar por um longo período de tempo. Os pesquisadores estudaram as propriedades de animais como o mexilhão azul, que gruda nas rochas debaixo d'água. Eles aplicaram os mesmos princípios químicos ao criar o substrato de hidrogel.

"Em vez de pegar um cérebro ou uma medula espinhal e enfiar algo nele e depois machucá-lo, "diz Bettinger, "podemos laminar por cima e evitar lesões no tecido."

O fato de os nódulos não ferirem o tecido e não se moverem significa que eles são capazes de registrar um sinal mais forte e preciso dos neurônios em ativação. As sondas agora podem ser usadas não apenas para gravar sinais, mas também para estimular terapias.

Por exemplo, o conjunto de eletrodos na sonda pode bloquear o sinal que induz inflamação em pessoas com artrite reumatóide. Em vez de usar analgésicos como opiáceos, uma terapia baseada em eletrônica que estimula regiões apropriadas da medula espinhal poderia ser mais direcionada e eficaz, ao mesmo tempo em que evita o risco de dependência quando comparado a intervenções de base farmacêutica. Os eletrodos também podem ser usados ​​para aplicações de registro de longo prazo, como testar como um novo medicamento pode afetar o coração. Um pegajoso, eletrodo macio que pode dobrar e flexionar pode abrigar o coração, registre suas contrações, e indique qual medicamento pode ser mais eficaz.

"Estamos tentando melhorar a largura de banda temporal dessas sondas, preservando a longevidade do material. Então, podemos adquirir mais informações e manter uma relação sinal-ruído adequada, "disse Bettinger." Pesquisadores em várias disciplinas estão tentando melhorar a forma como os dispositivos eletrônicos podem interagir com o sistema nervoso. Sentimos que estamos contribuindo para este esforço mais amplo, expandindo a caixa de ferramentas de materiais para melhorar o desempenho do dispositivo. "

Bettinger e seu grupo estão colaborando com pesquisadores em engenharia elétrica e de computação da Carnegie Mellon e com pesquisadores da Universidade de Pittsburgh. Suas descobertas foram publicadas em Materiais Funcionais Avançados .