Para avaliar as funções fisiológicas in vivo, os sinais eletrofisiológicos devem ser monitorados com alta precisão e alta resolução espacial ou temporal. Ultraflexível, matrizes multieletrodos (MEAs) foram recentemente fabricadas para estabelecer contato conformado nas superfícies dos órgãos e para medir a propagação do sinal eletrofisiológico em alta resolução espaço-temporal. Contudo, substratos de plástico com alto módulo de Young incorporados ao processo causaram dificuldades durante a implantação devido à dinâmica hemodinâmica baseada nos movimentos da superfície do coração. Em um novo estudo publicado em Avanços da Ciência , Wonryung Lee e colegas desenvolveram um MEA ativo fabricado para demonstrar a não trombogenicidade, elasticidade e estabilidade. As matrizes permitiam o monitoramento eletrocardiográfico (ECG) de longo prazo no coração de ratos batendo, mesmo com sangramento capilar. Os sinais de ECG medidos exibiram uma alta relação sinal-ruído (SNR) de 52 dB como resultado da leitura de dados ativa.

No estudo, o novo MEA extensível foi cuidadosamente projetado usando técnicas de engenharia de última geração. Os métodos combinaram transistores eletroquímicos orgânicos de ganho extraordinário (OECTs) processados ​​em substratos de microrrede com um revestimento de poli (3-metoxipropil acetato) (PMC3A). O processo facilitou propriedades antitrombóticas significativas, mantendo excelente condutividade iônica.

Tipicamente, matrizes multieletrodos (MEAs) são usadas para investigar a posição das células ativas / inativas, propagação de sinais neurais e rede entre vários neurônios. As matrizes também podem ser usadas para diagnosticar e tratar doenças medindo sinais biológicos em vários pontos. O primeiro MEA in vitro relatado foi fabricado em vidro plano para medir a excitação celular em cultura de miocárdio, células neuronais e propagação de sinal de fatias de coração e cérebro. Os arranjos MEA não invasivos in vivo recentemente desenvolvidos foram fabricados em folha de plástico flexível com a capacidade de entrar em contato com tecidos vivos em movimento e macios. Durante o processo de engenharia, a flexibilidade do dispositivo deve ser aumentada para facilitar MEAs em estruturas complexas no corpo durante a implantação.

Contato conformal em superfícies cerebrais enrugadas, por exemplo, pode ser alcançado reduzindo a espessura do dispositivo abaixo de dois µm. De forma similar, As medições de ECG podem ser realizadas na pele perto do coração por meio de MEAs passivos em substratos de poliimida de 3 µm. As propriedades ultraflexíveis dos MEAs ativos foram demonstradas por meio do contato suave com as células musculares, córtex cerebral, bem como medições de eletromiografia (EMG) e eletrocorticografia (ECoG). Um MEA ativo extensível e compatível com o sangue ainda está para ser realizado devido a duas limitações principais. No início, a degradação do dispositivo devido a coágulos sanguíneos de sangramento cirúrgico como resultado de um módulo de Young alto foi observada com polímeros de poliimida ou parileno, apesar de sua alta compatibilidade. Depois disso, também é difícil projetar elementos ativos de alto desempenho com extensibilidade para medir sinais biológicos. Os elementos ativos também exigiam altos fatores de amplificação e baixas tensões de acionamento.

No estudo, Lee et al. projetou um ultrafino, Matriz ativa OECT (transistor eletroquímico orgânico) com padrão de grade extensível para medir a distribuição de sinais de ECG com uma relação sinal-ruído (SNR) de 52 dB via contato direto no coração de rato batendo. O array 4 x 4 OECT ativo foi fabricado com uma espessura total de 2,6 µm e alta transcondutância. O dispositivo foi totalmente revestido com poli (3-metoxipropilacetato) de 100 nm de espessura (PMC3A) para conferir propriedades antitrombóticas enquanto mantém excelente condutividade iônica. Um ECG foi mapeado da superfície do coração de um rato para determinar a viabilidade de 4 x 4, ultra fino, extensível, array OECT antitrombótico e ativo. Devido à alta conformabilidade da estrutura da grade, ruído de artefato causado por movimento dinâmico não apareceu nos dados registrados. Além disso, devido à sua propriedade antitrombótica, o dispositivo era capaz de medições estáveis ​​por longos períodos de tempo, mesmo em um ambiente de implante com sangramento consistente.

O MEA extensível contendo OECTS e substratos de grade foram fabricados em substratos de parileno de 1,2 µm. As camadas ativas de um poli fino (3, 4-etilenodioxitiofeno) poliestireno sulfonato (PEDOT:PSS) e a fiação foi realizada em um substrato de grade em favo de mel. A estrutura de grade em favo de mel permitiu estabilidade mecânica e extensibilidade estrutural, previamente investigado experimentalmente e via simulação. A camada mais externa de PMC3A [poli (acetato de 3-metoxipropila)] possibilitou alta compatibilidade com sangue para manter a antitrombogenicidade. A elasticidade do dispositivo permitiu o movimento dinâmico em substratos biológicos.

Antes de realizar experimentos biológicos in vivo, os autores avaliaram sistematicamente o caráter elétrico e mecânico do dispositivo. O desempenho elétrico foi medido em relação à transcondutância da matriz, que indicou quantidades suficientemente grandes para medir os sinais de ECoG ou EMG de ratos. A espessura e o ângulo de contato com a água das superfícies PMC3A mostraram resultados consistentes com estudos anteriores. Estudos de hemocompatibilidade em PMC3A foram conduzidos usando adesão de plaquetas por imersão de amostras em suspensões de plaquetas extraídas de sangue humano. O tempo de resposta (τ) de OECTs antes e depois do revestimento de PMC3A foi medido depois que um pulso de tensão de porta foi aplicado com a duração de um milissegundo, indicando que o processo de imersão do PMC3A não alterou as propriedades elétricas do OECT. Os PMC3As revestidos com OECT também confirmaram a estabilidade elétrica de longo prazo.

Os pesquisadores então conduziram estudos in vivo em um modelo de rato no qual a viabilidade das matrizes OECT extensível e hemocompatível foi realizada por meio de medições de ECG nas superfícies do coração. Os sinais fisiológicos foram medidos usando a matriz 4 x 4 de OECTs extensíveis e hemocompatíveis, anexando-os à superfície exposta do coração. Os orifícios em forma de favo de mel no substrato ultrafino permitiam o contato conformado entre o filme do dispositivo e a superfície do coração.

A relação sinal-ruído do OECT revestido com PMC3A registrada em 51 dB 30 min após a fixação foi semelhante ao valor registrado logo após a fixação. A ordem de transcondutância milisiemens observada no estudo foi devido à permeabilidade à água de PEDOT:PSS. Como resultado, a transcondutância do OECT foi 100 vezes maior do que a dos transistores de efeito de campo de Si (FET).

Os pesquisadores também demonstraram sinais de mapeamento de ECG usando a matriz OECT quando o dispositivo foi colocado em uma superfície de coração de rato cobrindo as áreas dos ventrículos direito e esquerdo. A impedância de carga foi projetada para ser 0 ohm para suprimir substancialmente o cross-talk na matriz OECT, conforme demonstrado anteriormente. Mapas de tensão espacial de todos os nós em quatro pontos de tempo sequenciais foram visualizados. Com base na localização do sensor, os sinais anatômicos mostraram formas diferentes. Os arranjos OECT extensíveis e compatíveis com sangue registraram com sucesso a distribuição espaço-temporal de ECGs em superfícies de coração de rato com multiplexação.

No estudo, um SNR alto de 52 dB foi alcançado por dois motivos; primeiro, já que os autores tiveram sucesso em usar OECTs com alta transcondutância da ordem de milisiemen. Maior por um fator de 10 em comparação com FET de Si de cristal único na presença de sangramento cirúrgico, enquanto o revestimento PMC3A manteve simultaneamente alta condutividade iônica. Segundo, o ruído do artefato de movimento foi suprimido pela alta conformabilidade da arquitetura da microgrid:o dispositivo pode aderir ao alvo dinâmico durante o movimento do coração. Os MEAs extensíveis e ativos com revestimento PMC3A não trombogênico permitirão medições de ECG, Sinais de ECoG ou EMG com maior precisão em outros estudos pré-clínicos.

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