Aviso: Esta página é uma tradução automática da página original em inglês. Por favor note uma vez que as traduções são geradas por máquinas, não tradução tudo será perfeita. Este site e suas páginas da Web destinam-se a ler em inglês. Qualquer tradução deste site e suas páginas da Web pode ser imprecisas e imprecisos no todo ou em parte. Esta tradução é fornecida como uma conveniência.

Os eléctrodos hydrogel-baseados novos conformam-se confortavelmente às formas inumeráveis do corpo

As disposições de eléctrodos do metal são usadas frequentemente nos procedimentos médicos que exigem a monitoração ou o fornecimento de impulsos elétricos no corpo, tal como a cirurgia de cérebro e o traço da epilepsia. Contudo, o metal e os materiais plásticos que o compreendem são duros e inflexíveis quando os tecidos do corpo forem macios e maleáveis. Esta má combinação limita os lugares em que as disposições de eléctrodo podem com sucesso ser usadas, e igualmente exige a aplicação de uma grande quantidade de corrente elétrica “para saltar” a diferença entre um eléctrodo e seu alvo.

Os eléctrodos hydrogel-baseados novos conformam-se confortavelmente às formas inumeráveis do corpo
Electrodes_CU do Hydrogel do eléctrodo no modelo do cérebro: O eléctrodo do hydrogel pode “fluir” para caber superfícies desiguais e fendas do corpo muitas sem danificar tecidos delicados. Crédito: Instituto de Wyss na Universidade de Harvard. Mostra-se aqui em um “cérebro falsificado” feito do agarose gelatinoso. Crédito de imagem: Instituto de Wyss na Universidade de Harvard

Inspirado pelas propriedades físicas originais de tecidos humanos de vida, uma equipe dos cientistas do instituto do Wyss de Harvard e John A. Paulson Escola da engenharia e de ciências aplicadas (MARES) criaram as disposições de eléctrodo flexíveis, metal-livres que se conformam confortavelmente às formas inumeráveis do corpo, dos vincos profundos do cérebro aos nervos fibrosos do coração. Isto abraço próximo permite que os impulsos elétricos sejam gravados e estimulados com mais baixas tensões exigidas, permite seu uso em áreas difíciis de alcançar do corpo, e minimiza o risco de dano aos órgãos delicados.

“Nossos eléctrodos hydrogel-baseados tomam belamente a forma do que tecido são colocados sobre, e abrem a porta à criação fácil de menos invasor, dispositivos médicos personalizados,” disse primeira autor Christina Tringides, um aluno diplomado no instituto de Wyss e no programa da biofísica de Harvard. A realização é relatada na nanotecnologia da natureza.

Um dispositivo médico inspirado pelo corpo humano

Uma das indicações de todos os tecidos vivos, particularmente o cérebro e a medula espinal, é que são “viscoelastic” - isto é, saltarão de volta a sua forma original se a pressão lhes é aplicada e liberada então, mas deformar-se-ão permanentemente em uma forma nova se a pressão é continuamente aplicada. Um exemplo comum é a orelha que calibra, em que colocar um calibre maior e maior em uma orelha perfurada estica para fora o furo no lóbulo da orelha ao longo do tempo.

Tringides e sua equipe realizaram que os hydrogels do alginate, que foram desenvolvidos no instituto de Wyss para um número de funções que incluem adesivos cirúrgicos e capsulagem da único-pilha, são igualmente viscoelastic, e raciocinado que devem poder os ajustar para combinar o viscoelasticity dos tecidos. Dado lhe o fundo na engenharia neural, Tringides decidiu tentar criar os eléctrodos inteiramente viscoelastic que poderiam combinar aquele do cérebro para uma monitoração neuroelectric mais segura e mais eficaz. Os eléctrodos padrão são feitos das disposições condutoras do metal contidas dentro de um filme plástico fino, e são até milhão vezes mais duro do que o cérebro.

A primeira tarefa da equipe era testar se seus hydrogels do alginate poderiam com sucesso se conformar aos tecidos vivos. Após a experimentação com os tipos diferentes de hydrogels, estabeleceram-se em uma versão que combinasse o mais pròxima as propriedades mecânicas do tecido do cérebro e do coração. Colocaram então seu hydrogel em um “cérebro falsificado” feito gelatina-como do agarose, e comparado seu desempenho àquele de um material plástico e de um material elástico.

O hydrogel do alginate teve o dobro a quantidade de contacto com o cérebro trocista subjacente comparado aos outros materiais, e pôde mesmo obter para baixo em alguns de muitos sulcos profundos do cérebro. Quando deixaram os materiais nos cérebros trocistas por duas semanas, o material elástico tinha-se movido substancialmente de seu lugar original e saltou imediatamente de novo em sua forma original quando removido do tecido trocista subjacente. Ao contrário, o hydrogel do alginate ficou em posição o todo o tempo e reteve o seu cérebro-como a forma após a remoção.

Ir com o fluxo

Agora que a equipe teve um material que poderia dobrar e fluir em torno dos tecidos, teve que inventar um eléctrodo que poderia fazer a mesma coisa. A grande maioria dos eléctrodos é feita do metal porque os metais são altamente electricamente condutores - mas também muito duro e inflexível.

Após muitas experiências e noites atrasadas no laboratório, a equipe identificou uma combinação de flocos do graphene e de nanotubes do carbono como seu candidato superior. A “parte da vantagem destes materiais é sua forma longa e estreita. É um pouco como o jogo de uma caixa dos espaguetes crus no assoalho - porque os macarronetes são tudo longos e finos, são prováveis cruzar-se em pontos múltiplos. Se você joga algo mais curto e mais redondo no assoalho, como o arroz, muitas das grões não tocarão de todo,” disse Tringides.

Quando estes espaguete-como materiais foram encaixados nos hydrogels do alginate, entrecruzaram sua maneira através do gel de criar poroso, os caminhos condutores com que electricidade poderiam viajar. Estes eléctrodos flexíveis podiam ser dobrados mais de 180 graus e ser amarrados em nós sem quebrar, fazendo lhes um sócio perfeito para o hydrogel viscoelastic do alginate.

Para uni-lo todo, a equipe cercou seu eléctrodo condutor novo com uma camada de isolamento de um polímero de silicone auto-cura chamado PDMS, que foi imprensado então entre duas camadas do hydrogel do alginate. O dispositivo resultante era altamente flexível, e podia ser esticado até 10 vezes seu comprimento sem quebrar ou rasgar. Quando os neurónios vivos tais como astrocytes e neurônios foram crescidos nos dispositivos, as pilhas não indicaram nenhum dano ou outros efeitos negativos, sugerindo que o dispositivo poderia com segurança ser usado em tecidos vivos.

Uma disposição alternativa para cirurgias mais seguras

A equipe testou então sua disposição de eléctrodo viscoelastic nova em condições do real-mundo anexando à um coração do rato. O dispositivo ficou no lugar no tecido como se moveu, e permaneceu intacto sobre dez dos milhares de contracções do músculo. Os pesquisadores escalados então acima, anexando seu dispositivo a um cérebro do rato, um coração do rato, e um coração da vaca, que não experimentasse nenhum dano e nenhum deslizar do dispositivo, mesmo quando dobrado mais de 180 graus. Ao contrário, uma disposição de eléctrodo comercial não ficou em contacto com o coração da vaca quando dobrada mais de 90 graus.

Finalmente, a disposição de eléctrodo viscoelastic foi usada com sucesso a estimula os nervos e grava a actividade elétrica in vivo. Quando o dispositivo foi anexado ao pé traseiro de um rato vivo, os pesquisadores estimularam com sucesso os músculos diferentes para contratar variando que de diversos eléctrodos entregou a estimulação. Anexaram então seu dispositivo ao coração de um rato e cérebro de um rato durante cirurgias. A actividade elétrica do coração e o cérebro foram gravados com sucesso pelo dispositivo, que foi dobrado para anexar às áreas difíciis de alcançar e não causou nenhum ferimento aos animais durante o uso.

“O viscoelasticity deste dispositivo marca um sentido novo nos dispositivos médicos, que são projectados tipicamente ser puramente elásticos,” disse autor Dave correspondente Mooney, o Ph.D., que é um membro da faculdade do núcleo de Wyss e um líder da plataforma dos Immuno-Materiais do instituto. “Tomando a aproximação oposta, nós podemos conectar com os tecidos do corpo muito mais pròxima, permitindo uma relação mais funcional sem danificar o tecido.” Mooney é igualmente o professor de Robert P. Pinkas Família da tecnologia biológica em MARES.

A equipe está continuando a desenvolver seus dispositivos, e está trabalhando actualmente para validá-los in vivo em animais maiores com o objectivo último de fazê-los disponíveis para o uso durante procedimentos médicos tais como a cirurgia da remoção do tumor cerebral e o traço da epilepsia. Igualmente esperam que esta nova tecnologia permitirá a gravação elétrica e a estimulação a ser executadas nas partes do corpo que são actualmente inacessíveis por dispositivos disponíveis no comércio.

Eu amo a para fora---caixa que penso esta equipe usada para endereçar o problema dos eléctrodos semi-rígidos desafiando a suposição que tiveram que ser feitos do metal e do plástico contínuo para ser eficazes. Este tipo do pensamento, da resolução de problemas, e da apreciação do projecto para a importância de combinar os mecânicos de sistemas vivos é o que nós nos esforçamos para cultivar e incentivar no instituto de Wyss, e este é um grande exemplo dos benefícios que podem ser colhidos em conseqüência.”

Don Ingber, M.D., Ph.D., director fundando, instituto de Wyss

Ingber é igualmente o professor de Judah Folkman da biologia vascular na Faculdade de Medicina de Harvard, e o programa vascular da biologia no hospital de crianças de Boston, e no professor da tecnologia biológica em MARES.

Os autores adicionais do papel incluem Nicolas Vachicouras, Alix Trouillet, Florian Fallegger, e Stéphanie P Lacour de École Polytechnique Fédérale de Lausana, Suíça; Irene de Lázaro, Hua Wang, BO Ri Seo, e Alberto Elosegui-Artola do instituto e dos MARES de Wyss; Yuyoung Shin e Cinzia Casiraghi da universidade de Manchester, Reino Unido; e Kostas Kostarelos da universidade de Manchester e do instituto Catalan de Nanoscience e de nanotecnologia, Espanha.

Esta pesquisa foi apoiada pelo National Science Foundation, os institutos de saúde nacionais, o instituto de Wyss para a engenharia biològica inspirada na Universidade de Harvard, o instituto nacional da pesquisa dental & Craniofacial, o instituto de Eunice Kennedy Shriver de saúdes infanteis nacional & revelação humana, o programa da pesquisa e da inovação do horizonte 2020 da União Europeia, o EPSRC, a fundação de Bertarelli, o centro Genebra de Wyss, e o SNSF Sinergia.

Source:
Journal reference:

Tringides, C.M., et al. (2021) Viscoelastic surface electrode arrays to interface with viscoelastic tissues. Nature Nanotechnology. doi.org/10.1038/s41565-021-00926-z.