p Matrizes de eletrodos de metal são frequentemente usados ​​em procedimentos médicos que requerem monitoramento ou distribuição de impulsos elétricos no corpo, como cirurgia cerebral e mapeamento de epilepsia. Contudo, os materiais de metal e plástico que os compõem são rígidos e inflexíveis, enquanto os tecidos do corpo são macios e maleáveis. Essa incompatibilidade limita os locais em que os arranjos de eletrodos podem ser usados ​​com sucesso, e também requer a aplicação de uma grande quantidade de corrente elétrica para "pular" a lacuna entre um eletrodo e seu alvo. p Inspirado nas propriedades físicas únicas dos tecidos humanos vivos, uma equipe de cientistas do Instituto Wyss de Harvard e da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson (SEAS) criou flexível, matrizes de eletrodos isentos de metal que se adaptam perfeitamente às inúmeras formas do corpo, das rugas profundas do cérebro aos nervos fibrosos do coração. Este abraço estreito permite que os impulsos elétricos sejam registrados e estimulados com tensões necessárias mais baixas, permite seu uso em áreas do corpo de difícil acesso, e minimiza o risco de danos a órgãos delicados.

p "Nossos eletrodos à base de hidrogel tomam lindamente a forma de qualquer tecido em que sejam colocados, e abrir a porta para a criação fácil de métodos menos invasivos, dispositivos médicos personalizados, "disse a primeira autora Christina Tringides, um estudante de pós-graduação no Wyss Institute e Harvard Biophysics Program. A conquista é relatada em Nature Nanotechnology .

p Um dispositivo médico inspirado no corpo humano

p Uma das marcas registradas de todos os tecidos vivos, particularmente o cérebro e a medula espinhal, é que eles são "viscoelásticos" - isto é, eles voltarão à sua forma original se a pressão for aplicada a eles e, em seguida, liberada, mas se deformará permanentemente em uma nova forma se a pressão for aplicada continuamente. Um exemplo comum é a medição do ouvido, em que colocar um medidor cada vez maior em uma orelha perfurada estica o orifício no lóbulo da orelha ao longo do tempo.

p Tringides e sua equipe perceberam que os hidrogéis de alginato, que foram desenvolvidos no Instituto Wyss para uma série de funções, incluindo adesivos cirúrgicos e encapsulamento de célula única, também são viscoelásticos, e raciocinou que eles deveriam ser capazes de ajustá-los para corresponder à viscoelasticidade dos tecidos. Dada sua formação em engenharia neural, Tringides decidiu tentar criar eletrodos totalmente viscoelásticos que pudessem corresponder à viscoelasticidade do cérebro para um monitoramento neuroelétrico mais seguro e eficaz. Eletrodos padrão são feitos de matrizes condutoras de metal contidas em um filme plástico fino, e são até um milhão de vezes mais rígidos que o cérebro.

p A primeira tarefa da equipe foi testar se seus hidrogéis de alginato poderiam se conformar com sucesso aos tecidos vivos. Depois de experimentar diferentes tipos de hidrogéis, eles escolheram uma versão que mais se aproximava das propriedades mecânicas do cérebro e do tecido cardíaco. Eles então colocaram seu hidrogel em um "cérebro" falso feito de agarose semelhante à gelatina, e comparou seu desempenho ao de um material plástico e um material elástico.

p O hidrogel de alginato teve o dobro da quantidade de contato com o cérebro falso subjacente em comparação com os outros materiais, e foi até mesmo capaz de entrar em alguns dos muitos sulcos profundos do cérebro. Quando eles deixaram os materiais nos cérebros simulados por duas semanas, o material elástico mudou substancialmente de seu local original e imediatamente voltou à sua forma original quando removido do tecido simulado subjacente. Em contraste, o hidrogel de alginato permaneceu na posição o tempo todo e manteve sua forma semelhante ao cérebro após a remoção.

p Indo no embalo

p Agora que a equipe tinha um material que podia flexionar e fluir em torno dos tecidos, eles tiveram que inventar um eletrodo que pudesse fazer a mesma coisa. A grande maioria dos eletrodos é feita de metal porque os metais são altamente condutores de eletricidade - mas também muito rígidos e inflexíveis.

p Depois de muitos experimentos e madrugadas no laboratório, a equipe identificou uma combinação de flocos de grafeno e nanotubos de carbono como seu principal candidato. "Parte da vantagem desses materiais é seu formato longo e estreito. É um pouco como jogar uma caixa de espaguete cru no chão - porque o macarrão é todo longo e fino, eles provavelmente se cruzarão em vários pontos. Se você jogar algo mais curto e redondo no chão, como arroz, muitos dos grãos nem tocam, "disse Tringides.

p Quando esses materiais semelhantes a espaguete foram incorporados aos hidrogéis de alginato, eles cruzaram seu caminho através do gel para criar porosos, caminhos condutores através dos quais a eletricidade pode viajar. Esses eletrodos flexíveis podem ser dobrados mais de 180 graus e amarrados em nós sem quebrar, tornando-os um parceiro perfeito para o hidrogel de alginato viscoelástico.

p Para colocar tudo junto, a equipe envolveu seu novo eletrodo condutor com uma camada isolante de um polímero de silicone autocurante chamado PDMS, que foi então ensanduichado entre duas camadas de hidrogel de alginato. O dispositivo resultante era altamente flexível, e pode ser esticado em até 10 vezes seu comprimento sem quebrar ou rasgar. Quando células cerebrais vivas, como astrócitos e neurônios, cresceram nos dispositivos, as células não exibiram danos ou outros efeitos negativos, sugerindo que o dispositivo pode ser usado com segurança em tecidos vivos.

p Uma matriz alternativa para cirurgias mais seguras

p A equipe então testou seu novo arranjo de eletrodos viscoelásticos em condições do mundo real, anexando-o a um coração de camundongo. O dispositivo permaneceu no lugar no tecido enquanto se movia, e permaneceu intacto durante dezenas de milhares de contrações musculares. Os pesquisadores então ampliaram, anexando seu dispositivo a um cérebro de rato, um coração de rato, e um coração de vaca, todos sem danos e sem deslizamento do dispositivo, mesmo quando dobrado mais de 180 graus. Em contraste, um conjunto de eletrodos comercial não permaneceu em contato com o coração de vaca quando dobrado mais de 90 graus.

p Finalmente, o arranjo de eletrodos viscoelásticos foi usado com sucesso para estimular os nervos e registrar a atividade elétrica in vivo. Quando o dispositivo foi conectado à pata traseira de um rato vivo, os pesquisadores estimularam com sucesso diferentes músculos a se contraírem, variando qual dos vários eletrodos administrava a estimulação. Eles então conectaram seu dispositivo ao coração de um rato e ao cérebro de um rato durante as cirurgias. A atividade elétrica do coração e do cérebro foi registrada com sucesso pelo dispositivo, que foi dobrado para se fixar em áreas de difícil acesso e não causou ferimentos aos animais durante o uso.

p "A viscoelasticidade deste dispositivo marca uma nova direção em dispositivos médicos, que são normalmente projetados para serem puramente elásticos, "disse o autor correspondente Dave Mooney, Ph.D., que é membro do corpo docente do Wyss Core e líder da plataforma de imuno-materiais do Instituto. "Adotando a abordagem oposta, podemos interagir com os tecidos do corpo muito mais de perto, permitindo uma interface mais funcional sem danificar o tecido. "Mooney também é o professor de bioengenharia da família Robert P. Pinkas no SEAS.

p A equipe continua desenvolvendo seus dispositivos, e está atualmente trabalhando para validá-los em animais maiores in vivo com o objetivo final de torná-los disponíveis para uso durante procedimentos médicos, como cirurgia de remoção de tumor cerebral e mapeamento de epilepsia. Eles também esperam que esta nova tecnologia permita que o registro elétrico e a estimulação sejam realizados em partes do corpo que atualmente não podem ser acessadas por dispositivos comercialmente disponíveis.

p "Eu adoro o pensamento pronto para uso que esta equipe usou para resolver o problema dos eletrodos semirrígidos, desafiando a suposição de que eles deveriam ser feitos de metal e plástico sólido para serem eficazes. Este tipo de pensamento de design, Solução de problemas, e o reconhecimento pela importância de combinar a mecânica dos sistemas vivos é o que nos esforçamos para cultivar e incentivar no Wyss Institute, e este é um ótimo exemplo dos benefícios que podem ser obtidos como resultado, "disse Don Ingber, M.D., Ph.D., o diretor fundador do Wyss Institute.