Papel magnetoelétrico flexível, biodegradável e sem fio para personalização simples in situ de implantes bioelétricos
Esquerda:fotografia do papel bioeletrônico sem fio implantável (espessura ≈50 µm; barra de escala, 3 cm), fabricado através da integração de MEN em NF. A microestrutura do papel bioeletrônico pode ser projetada para orientação aleatória ou alinhada das fibras. À direita:fotografias do papel bioeletrônico adaptado em diversas macroestruturas e escalas usando técnicas simples de laminação, origami e kirigami. Imagens sequenciais mostrando dissolução do papel bioeletrônico durante imersão em PBS a 37,5°C. Crédito:Materiais Avançados (2024). DOI:10.1002/adma.202311154 Uma equipe de pesquisa, liderada conjuntamente pelos professores Jiyun Kim, Chaenyung Cha e Myoung Hoon Song do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UNIST, revelou o primeiro papel bioeletrônico flexível e biodegradável do mundo com funcionalidade de estimulação sem fio distribuída homogeneamente para personalização simples de bioeletrônicos. implantes.
Esses materiais inovadores são feitos de materiais funcionais em nanoescala e, portanto, podem ser ainda mais personalizados usando métodos simples, como laminação, corte, dobramento para dentro e dobramento para fora, sem perder funcionalidade.
A equipe de pesquisa espera que esses resultados, com flexibilidade de design sem precedentes, possam estabelecer uma base para a personalização simples, rápida e de baixo custo de implantes bioeletrônicos temporários para terapias de estimulação sem fio minimamente invasivas.
O trabalho está publicado na revista Advanced Materials .
Dispositivos de estimulação elétrica implantados são cruciais para promover a atividade neuronal e a regeneração tecidual por meio da estimulação elétrica. Portanto, esses dispositivos são essenciais para o tratamento de diversas doenças neurodegenerativas, como a doença de Parkinson e a doença de Alzheimer.
No entanto, a maioria dos implantes bioeletrônicos de última geração requerem componentes eletrônicos rígidos e volumosos que são mecanicamente incompatíveis com a delicada estrutura dos nervos e outros tecidos, dificultando a mudança livre para vários tamanhos e formas em tempo real.
Além disso, a necessidade de conexões de fios, substituição de baterias e cirurgias de remoção pós-tratamento pode aumentar o risco de infecção e tornar os tratamentos clínicos complexos.
Neste estudo, a equipe de pesquisa desenvolveu com sucesso um papel bioeletrônico flexível, biomimético, leve e biodegradável que pode ser cortado e adaptado após a fabricação, mantendo funcionalidades, permitindo a produção simples e rápida de implantes bioeletrônicos de vários tamanhos, formatos e micro. - e macroestruturas.
Ilustração esquemática de MEN sintetizado em estrutura núcleo/invólucro que acopla núcleo magnetostritivo que transduz campo magnético em deformação local e invólucro piezoelétrico que transduz tensão em campo elétrico. O MEN-NF possui alta porosidade que permite permeação de pequenas moléculas e controlabilidade nas orientações microestruturais das fibras. Crédito:Materiais Avançados (2024). DOI:10.1002/adma.202311154
Primeiro, eles sintetizaram nanopartículas magnetoelétricas (MENs) que facilitam a estimulação elétrica em resposta a um campo magnético externo. As nanopartículas sintetizadas assumem a forma de uma estrutura "Core@Shell" que acopla um núcleo magnetostritivo que transduz o campo magnético em deformação local e um invólucro piezoelétrico que transduz a deformação em campo elétrico.
Ao integrar MENs em nanofibras biodegradáveis eletrofiadas (NFs), a equipe produziu um eletroestimulador sem fio, biodegradável, poroso e semelhante a papel. Experimentos in vitro demonstraram ainda a capacidade do material de fornecer eletroestimulação sem fio e promover a atividade neuronal simultaneamente.
“O material desenvolvido oferece opções de tratamento personalizadas, adaptadas às necessidades individuais e às características físicas, simplificando os processos de tratamento, aumentando a flexibilidade e versatilidade em aplicações clínicas baseadas em estimulação elétrica”, afirma o pesquisador de pós-doutorado e primeiro autor Jun Kyu Choe.
O material fabricado é tão flexível e leve quanto o papel. Ele pode estar intimamente ligado ao longo de superfícies complexas, como a superfície curva dos modelos do cérebro humano. Notavelmente, ele também pode ser cortado em formas e escalas arbitrárias, mantendo sua função.
Além disso, mostrou flexibilidade excepcional o suficiente para fabricar um conduto nervoso cilíndrico para regenerar nervos, com um raio de curvatura demonstrado de 400 µm.
Imagens esquemáticas mostrando a programação da macroestrutura do papel bioeletrônico MEN-NF. Crédito:Materiais Avançados (2024). DOI:10.1002/adma.202311154
Segundo a equipe de pesquisa, “Este trabalho apresenta uma estratégia promissora para o desenvolvimento de implantes bioeletrônicos sem fio flexíveis e biodegradáveis que podem ser simplesmente customizados para diversas circunstâncias clínicas e físicas.
"A combinação de materiais fibrosos magnetoelétricos e biodegradáveis em nanoescala oferece vantagens em relação aos dispositivos eletrônicos sem fio tradicionais em nível de sistema que dependem da montagem intrincada de componentes volumosos que não podem ser reprojetados após a fabricação."
O professor Kim afirmou:"O papel bioeletrônico, em princípio, pode ser simplesmente personalizado para escalas de órgãos de várias dezenas de centímetros ou miniaturizado para escalas submicrométricas para operações minimamente invasivas, já que a magnetoeletricidade ou microestrutura não depende de sua escala.
"No geral, nosso artigo bioeletrônico, com aplicabilidade fácil e ampla, poderia abrir um novo esquema para implantes bioeletrônicos sem fio minimamente invasivos e biodegradáveis."
