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Faça uma busca de imagem por “implantes eletrônicos” e você encontrará uma grande variedade de dispositivos, desde marcapassos tradicionais e implantes cocleares até microchips cerebrais e retinais mais futuristas destinados a aumentar a visão, tratar a depressão e restaurar a mobilidade.
Alguns implantes são duros e volumosos, enquanto outros são flexíveis e finos. Mas não importa sua forma e função, quase todos os implantes incorporam eletrodos – pequenos elementos condutores que se ligam diretamente aos tecidos-alvo para estimular eletricamente músculos e nervos.
Os eletrodos implantáveis são predominantemente feitos de metais rígidos que são eletricamente condutores por natureza. Mas, com o tempo, os metais podem agravar os tecidos, causando cicatrizes e inflamações que, por sua vez, podem degradar o desempenho do implante.
Agora, os engenheiros do MIT desenvolveram um material gelatinoso sem metal que é tão macio e resistente quanto o tecido biológico e pode conduzir eletricidade de maneira semelhante aos metais convencionais. O material pode ser transformado em uma tinta imprimível, que os pesquisadores modelaram em eletrodos de borracha flexíveis. O novo material, que é um tipo de hidrogel de polímero condutor de alto desempenho, pode um dia substituir os metais como eletrodos funcionais à base de gel, com aparência de tecido biológico.
“Este material funciona da mesma forma que os eletrodos de metal, mas é feito de géis semelhantes aos nossos corpos e com teor de água semelhante”, diz Hyunwoo Yuk SM ’16 PhD ’21, cofundador da SanaHeal, uma startup de dispositivos médicos. “É como um tecido ou nervo artificial.”
“Acreditamos que, pela primeira vez, temos um eletrodo resistente e robusto semelhante a uma gelatina que pode potencialmente substituir o metal para estimular os nervos e interagir com o coração, o cérebro e outros órgãos do corpo”, acrescenta Xuanhe Zhao, professor de engenharia mecânica e de engenharia civil e ambiental no MIT.
Zhao, Yuk e outros no MIT e em outros lugares relatam seus resultados em Materiais da Natureza. Os co-autores do estudo incluem o primeiro autor e ex-pós-doutorado do MIT, Tao Zhou, que agora é professor assistente na Penn State University, e colegas da Jiangxi Science and Technology Normal University e da Shanghai Jiao Tong University.
Um verdadeiro desafio
A grande maioria dos polímeros é isolante por natureza, o que significa que a eletricidade não passa facilmente por eles. Mas existe uma classe pequena e especial de polímeros que podem de fato passar elétrons através de seu volume. Alguns polímeros condutores mostraram pela primeira vez exibir alta condutividade elétrica na década de 1970 – trabalho que mais tarde recebeu o Prêmio Nobel de Química.
Recentemente, pesquisadores, incluindo os do laboratório de Zhao, tentaram usar polímeros condutores para fabricar eletrodos macios e sem metal para uso em implantes bioeletrônicos e outros dispositivos médicos. Esses esforços têm como objetivo fazer filmes e adesivos eletricamente condutores macios, mas resistentes, principalmente pela mistura de partículas de polímeros condutores com hidrogel – um tipo de polímero macio e esponjoso rico em água.
Os pesquisadores esperavam que a combinação de polímero condutor e hidrogel produzisse um gel flexível, biocompatível e eletricamente condutor. Mas os materiais fabricados até então eram muito fracos e quebradiços ou exibiam baixo desempenho elétrico.
“Em materiais de gel, as propriedades elétricas e mecânicas sempre lutam entre si”, diz Yuk. “Se você melhorar as propriedades elétricas de um gel, terá que sacrificar as propriedades mecânicas e vice-versa. Mas, na realidade, precisamos de ambos: um material deve ser condutor e também elástico e robusto. Esse foi o verdadeiro desafio e a razão pela qual as pessoas não poderia transformar polímeros condutores em dispositivos confiáveis inteiramente feitos de gel.”
espaguete elétrico
Em seu novo estudo, Yuk e seus colegas descobriram que precisavam de uma nova receita para misturar polímeros condutores com hidrogéis de forma a aprimorar as propriedades elétricas e mecânicas dos respectivos ingredientes.
“As pessoas anteriormente dependiam da mistura homogênea e aleatória dos dois materiais”, diz Yuk.
Essas misturas produziram géis feitos de partículas de polímero dispersas aleatoriamente. O grupo percebeu que, para preservar as forças elétrica e mecânica do polímero condutor e do hidrogel, respectivamente, ambos os ingredientes deveriam ser misturados de forma que se repelissem ligeiramente – um estado conhecido como separação de fases. Nesse estado ligeiramente separado, cada ingrediente pode então ligar seus respectivos polímeros para formar fios longos e microscópicos, ao mesmo tempo em que se misturam como um todo.
“Imagine que estamos fazendo espaguete elétrico e mecânico”, sugere Zhao. “O espaguete elétrico é o polímero condutor, que agora pode transmitir eletricidade através do material porque é contínuo. E o espaguete mecânico é o hidrogel, que pode transmitir forças mecânicas e ser resistente e elástico porque também é contínuo.”
Os pesquisadores então ajustaram a receita para transformar o gel espaguete em uma tinta, que eles alimentaram através de uma impressora 3D e imprimiram em filmes de hidrogel puro, em padrões semelhantes aos eletrodos de metal convencionais.
“Como esse gel é imprimível em 3D, podemos personalizar geometrias e formas, o que facilita a fabricação de interfaces elétricas para todos os tipos de órgãos”, diz o primeiro autor Zhou.
Os pesquisadores então implantaram os eletrodos impressos, parecidos com gelatina, no coração, nervo ciático e medula espinhal de ratos. A equipe testou o desempenho elétrico e mecânico dos eletrodos nos animais por até dois meses e descobriu que os dispositivos permaneceram estáveis, com pouca inflamação ou cicatrização nos tecidos circundantes. Os eletrodos também foram capazes de retransmitir pulsos elétricos do coração para um monitor externo, bem como fornecer pequenos pulsos ao nervo ciático e à medula espinhal, o que, por sua vez, estimulou a atividade motora nos músculos e membros associados.
No futuro, Yuk prevê que uma aplicação imediata para o novo material pode ser para pessoas que se recuperam de cirurgia cardíaca.
“Esses pacientes precisam de algumas semanas de suporte elétrico para evitar um ataque cardíaco como efeito colateral da cirurgia”, diz Yuk. “Então, os médicos costuram um eletrodo metálico na superfície do coração e o estimulam ao longo de semanas. Podemos substituir esses eletrodos de metal por nosso gel para minimizar complicações e efeitos colaterais que as pessoas atualmente aceitam.”
A equipe está trabalhando para prolongar a vida útil e o desempenho do material. Então, o gel pode ser usado como uma interface elétrica suave entre órgãos e implantes de longo prazo, incluindo marca-passos e estimuladores cerebrais profundos.
“O objetivo do nosso grupo é substituir o vidro, a cerâmica e o metal dentro do corpo por algo como a gelatina, para que seja mais benigno, mas tenha melhor desempenho e possa durar muito tempo”, diz Zhao. “Essa é a nossa esperança.”
Esta pesquisa é apoiada, em parte, pelo National Institutes of Health.
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