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Nova tecnologia permite criar implantes cerebrais macios e que não prejudicam tecidos

Material eletrônico altamente flexível pode ajudar a turbinar uso de implantes cerebrais

Técnica pode permitir produção mais veloz, sob-demanda, de dispositivos neurais mais seguros e macios.

O cérebro é um dos nossos órgãos mais vulneráveis, tão macio quanto um tofu. Já os implantes cerebrais geralmente são feitos de metal e de outros materiais rígidos que, com o passar do tempo, podem causar inflamações e o acúmulo de cicatrizações. 

Um grupo de engenheiros do MIT está trabalhando para desenvolver implantes neurais flexíveis e macios, que seriam capazes de se moldar ao contorno do cérebro e monitorar sua atividade por longos períodos sem prejudicar os tecidos adjacentes. Esses equipamentos eletrônicos flexíveis  podem ser alternativas mais suaves aos atuais eletrodos  a base de metal usados no monitoramento da atividade cerebral, e também podem ser úteis na forma de implantes cerebrais que estimulam regiões neurais para tratar dos sintomas iniciais de epilepsia, mal de Parkinson e depressão forte. 

Liderado por Xuanhe Zhao, professor de engenharia mecânica, civil e ambiental, o grupo de pesquisa usou uma impressora 3D para obter sondas neurais e outros dispositivos eletrônicos  tão macios e flexíveis quanto a borracha. 

Os dispositivos são feitos em  uma espécie de polímero, ou plástico macio, que conduz eletricidade. A equipe transformou esse polímero condutor, que normalmente é líquido, em uma pasta viscosa — que foi utilizada em uma impressora 3D convencional para fazer modelos estáveis e condutores elétricos. 

A equipe imprimiu vários dispositivos eletrônicos flexíveis, incluindo um eletrodo pequeno de borracha, que  implantaram no cérebro de um rato. À medida que o rato se movia livremente em um ambiente controlado, a sonda neural conseguiu captar a atividade de um único neurônio. O monitoramento dessa atividade pode fornecer aos cientistas uma imagem de alta resolução da atividade do cérebro e ajudar na adaptação de terapias e implantes cerebrais de longo prazo para uma variedade de distúrbios neurológicos.

“Esperamos que essa prova de conceito permita a outras pessoas usarem essa tecnologia para fazerem diferentes dispositivos, de maneira mais veloz”, diz Hyunwoo Yuk, um estudante de pós-graduação do grupo de Zhao no MIT. “Eles poderiam mudar o design, rodar o código de impressão e gerar um novo design em 30 minutos. Esperamos que isso simplifique o desenvolvimento de interfaces neurais, inteiramente feita de materiais macios.”

Yuk e Zhao publicaram seus resultados na revista Nature Communications. Seus co-autores incluem Baoyang Lu e Jingkun Xu da Universidade de Ciência e Tecnologia de Jiangxi, junto com Shen Lin e Jianhong Luo da Universidade de Medicina de Zheijiang.

Da água de sopa a pasta de dente   

Os polímeros condutores são uma classe de materiais que  vêm sendo  avidamente pesquisada em  anos recentes por suas características especiais que combinam a flexibilidade do plástico e a condutividade elétrica de metal. Esses polímeros condutores são utilizados comercialmente como revestimento antiestático, por conseguirem levar para longe qualquer carga eletrostática em eletrônicos e outras superfícies estáticas e inclinadas. 

“É fácil borrifar essas soluções de polímeros em telas touchscreen”, diz Yuk. “Mas a forma líquida é mais para revestimentos homogêneos, e é difícil de usá-la em qualquer modelo bidimensional de alta resolução. Em três dimensões é impossível”. 

Yuk e seus colegas pensaram que se conseguissem desenvolver um polímero condutor através de impressão 3D, eles poderiam utilizar o material para imprimir dispositivos eletrônicos com padrões complexos, como circuitos flexíveis, e eletrodos de neurônio único. 

Em sua nova pesquisa, a equipe diz que modificou o Poli (3,4-etilenodioxitiofeno) sulfonato de poliestireno, ou PEDOT:PSS, um polímero condutor tipicamente oferecido como um líquidogrosso  de cor azul-escura. O líquido é uma mistura de água com nanofibras de PEDOT:PSS. O líquido tem sua condutividade por conta das nanofibras, que, quando estão em contato, funcionam como um túnel que qualquer carga elétrica pode atravessar. 

Se os pesquisadores utilizassem o material em sua forma líquida para suas impressões tridimensionais, simplesmente escorreria pela superfície adjacente. Então o grupo buscou uma maneira de engrossar o polímero e reter a inerente condutividade elétrica do material. 

Eles primeiro congelaram a seco o material, removendo o líquido e deixando uma matrix seca, como uma esponja, de nanofibras. Sozinhas, essas nanofibras seriam frágeis e quebradiças. Então os pesquisadores misturaram as nanofibras com uma solução de água e um solvente orgânico, que desenvolveram previamente, para formar um hidrogel — um material a base de água, emborrachado, com muitas nanofibras. 

Eles produziram o hidrogel com diferentes concentrações de nanofibras, e descobriram que a concentração onde o entre 5% a 8% do peso correspondiam a  nanofibras produzia uma espécie de material pastoso que era tanto condutor elétrico quanto adequado para impressões em 3D. 

“Inicialmente, era como uma água de sopa”, Zhao diz. “Nós condensamos as nanofibras e tornamos viscoso como uma pasta de dente, para que possamos utilizar como líquido, grosso e possível de impressão”. 

Implantes sob demanda

Os pesquisadores utilizaram o novo polímero condutor em uma impressora 3D convencional e descobriram que poderiam produzir padrões complexos que permaneceriam estáveis e que conduziriam eletricidade. 

Como prova de conceito, eles imprimiram um eletrodo pequeno e emborrachado, do tamanho aproximado de um pedaço de confete. O eletrodo consiste de uma camada de polímero flexível e transparente, em que eles imprimiram o polímero condutor, em camadas finas, linhas paralelas que convergem em uma ponta, medindo cerca de 10 mícrons de largura — pequeno o suficiente para captar sinais elétricos de um único neurônio. 

A equipe implantou o eletrodo no cérebro de um rato e descobriram que poderiam captar sinais elétricos de um único neurônio. 

“Tradicionalmente, eletrodos são metais rígidos, e quando ocorrem vibrações, esses eletrodos de metais podem danificar os tecidos”, diz Zhao. “Nós mostramos agora que pode se inserir uma sonda de gel ao invés de uma agulha”.

Em princípio, os eletrodos, tão maleáveis, a base de hidrogel podem ser até mais sensíveis que os eletrodos de metal convencionais. Isso porque a maioria dos eletrodos de metal conduzem eletricidade na forma de elétrons, enquanto neurônios no cérebro produzem sinais elétricos na forma de íons. Qualquer corrente iônica produzida pelo cérebro precisa ser convertida em um sinal elétrico que um eletrodo de metal pode captar — o que pode resultar na perda de uma parte desse sinal na tradução. Além disso, íons só podem interagir com um eletrodo de metal pela sua superfície, que pode limitar a concentração de íons que o eletrodo pode captar em qualquer período. 

Em contraste, o eletrodos maleáveis são feitos por nanofibras condutoras de elétrons, embutido em um hidrogel — um material a base de água em que íons possam atravessar livremente. 

“A beleza de um polímero condutor em hidrogel é, além de suas propriedades mecânicas maleáveis, que é feito de hidrogel, que é um condutor iônico e também uma esponja porosa de nanofibras na qual os íons podem entrar em sair”, Lu diz. “Como todo o volume  dos eletrodos fica ativado, sua sensibilidade torna-se maior.” 

Além da sonda neural, a equipe também fabricou uma matriz de microeletrodos — pequena, como um post-it quadrado de plástico, impressa com vários eletrodos muito finos sobre a qual os pesquisadores também imprimiram uma depressão  redonda e de plástico. Neurocientistas geralmente preenchem essas depressões com culturas de neurônios, e podem estudar sua atividade através de sinais que são detectados pelos eletrodos subjacentes do dispositivo. 

Para essa demonstração, o grupo mostrou  que poderiam replicar os designs complexos de tais matrizes utilizando impressão 3D, em contraponto com as técnicas tradicionais de litografia, que envolvem cuidadosas gravuras em metais, como ouro, de padrões prescritos, ou máscaras — processo que leva dias para um simples dispositivo. 

“Nós fazemos a mesma geometria e resolução desse dispositivo usando impressão tridimensional, em menos de uma hora” diz Yuk. “Esse processo pode substituir ou suplementar a técnica de litografia, em um módo mais simples e barato de fazer uma variedade de dispositivos neurológicos, sob-demanda”. 

Massachusetts Institute of Technology

Publicado em 30/03/2020     

 

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