.
À medida que os pesquisadores fazem grandes avanços nos cuidados médicos, eles também descobrem que a eficácia desses tratamentos pode ser aprimorada por abordagens individualizadas. Portanto, os médicos precisam cada vez mais de métodos que possam monitorar continuamente os sinais fisiológicos e, em seguida, personalizar a entrega responsiva da terapêutica.
Necessidade de dispositivos bioeletrônicos seguros e flexíveis
Os dispositivos bioeletrônicos implantados estão desempenhando um papel crítico nesses tratamentos, mas há uma série de desafios que impediram sua adoção generalizada. Esses dispositivos requerem componentes especializados para aquisição de sinal, processamento, transmissão de dados e alimentação. Até agora, alcançar esses recursos em um dispositivo implantado envolveu o uso de vários componentes rígidos e não biocompatíveis que podem levar à ruptura do tecido e ao desconforto do paciente. Idealmente, esses dispositivos precisam ser biocompatíveis, flexíveis e estáveis a longo prazo no corpo. Eles também devem ser rápidos e sensíveis o suficiente para registrar biosinais rápidos e de baixa amplitude, enquanto ainda podem transmitir dados para análise externa.
Pesquisadores da Columbia inventam o primeiro dispositivo bioeletrônico autônomo, flexível e totalmente orgânico
Os pesquisadores da Columbia Engineering anunciaram hoje que desenvolveram o primeiro dispositivo bioeletrônico autônomo, conformável e totalmente orgânico que pode não apenas adquirir e transmitir sinais cerebrais neurofisiológicos, mas também fornecer energia para a operação do dispositivo. Este dispositivo, cerca de 100 vezes menor que um cabelo humano, é baseado em uma arquitetura de transistor orgânico que incorpora um canal vertical e um conduto de água miniaturizado, demonstrando estabilidade de longo prazo, alto desempenho elétrico e operação de baixa voltagem para evitar danos biológicos ao tecido. Os resultados são descritos em um novo estudo, publicado hoje na Materiais da Natureza.
Tanto os pesquisadores quanto os clínicos sabiam que havia uma necessidade de transistores que apresentassem simultaneamente todos esses recursos: baixa voltagem de operação, biocompatibilidade, estabilidade de desempenho, conformabilidade para na Vivo Operação; e alto desempenho elétrico, incluindo resposta temporal rápida, alta transcondutância e operação sem diafonia. Os transistores baseados em silício são as tecnologias mais estabelecidas, mas não são uma solução perfeita porque são duros, rígidos e incapazes de estabelecer uma interface iônica muito eficiente com o corpo. ]
A equipe abordou essas questões introduzindo uma arquitetura IGT (transistor eletroquímico orgânico com controle interno de íons) escalonável e independente, a vIGT. Eles incorporaram um arranjo de canal vertical que aumenta a velocidade intrínseca da arquitetura IGT otimizando a geometria do canal e permitindo um arranjo de alta densidade de transistores próximos uns dos outros — 155.000 deles por centímetro quadrado.
Os vGITs escaláveis são os transistores eletroquímicos mais rápidos
Os vIGTs são compostos de materiais biocompatíveis disponíveis comercialmente que não requerem encapsulamento em ambientes biológicos e não são prejudicados pela exposição à água ou íons. O material compósito do canal pode ser fabricado de forma reproduzível em grandes quantidades e é processável por solução, tornando-o mais acessível a uma ampla gama de processos de fabricação. Eles são flexíveis e compatíveis com a integração em uma ampla variedade de substratos plásticos conformáveis e possuem estabilidade de longo prazo, baixa diafonia intertransistor e capacidade de integração de alta densidade, permitindo a fabricação de circuitos integrados eficientes.
“A eletrônica orgânica não é conhecida por seu alto desempenho e confiabilidade”, disse o líder do estudo, Dion Khodagholy, professor associado de engenharia elétrica. “Mas com nossa nova arquitetura vGIT, conseguimos incorporar um canal vertical que possui seu próprio suprimento de íons. Essa autossuficiência de íons tornou o transistor particularmente rápido – na verdade, eles são atualmente os transistores eletroquímicos mais rápidos. “
Para aumentar ainda mais a velocidade da operação, a equipe usou técnicas avançadas de nanofabricação para miniaturizar e densificar esses transistores em escalas submicrométricas. A fabricação ocorreu na sala limpa da Columbia Nano Initiative.
Colaboração com os médicos CUIMC
Para desenvolver a arquitetura, os pesquisadores primeiro precisaram entender os desafios envolvidos no diagnóstico e tratamento de pacientes com distúrbios neurológicos como a epilepsia, bem como as metodologias usadas atualmente. Eles trabalharam com colegas do Departamento de Neurologia da Universidade de Columbia Irving Medical Center, em particular, com Jennifer Gelinas, professora assistente de neurologia, engenharia elétrica e biomédica e diretora do Laboratório de Epilepsia e Cognição.
A combinação de alta velocidade, flexibilidade. e a operação de baixa voltagem permite que os transistores sejam usados não apenas para gravação de sinal neural, mas também para transmissão de dados, bem como para alimentar o dispositivo, levando a um implante totalmente conformável. Os pesquisadores usaram esse recurso para demonstrar implantes totalmente macios e comprováveis, capazes de registrar e transmitir atividade neural de alta resolução tanto de fora, na superfície do cérebro, quanto de dentro, nas profundezas do cérebro.
“Este trabalho potencialmente abrirá uma ampla gama de oportunidades translacionais e tornará os implantes médicos acessíveis a um grande grupo demográfico de pacientes que tradicionalmente não são qualificados para dispositivos implantáveis devido à complexidade e aos altos riscos de tais procedimentos”, disse Gelinas.
“É incrível pensar que nossa pesquisa e dispositivos podem ajudar os médicos com melhores diagnósticos e podem ter um impacto positivo na qualidade de vida dos pacientes”, acrescentou a principal autora do estudo, Claudia Cea, que concluiu recentemente seu doutorado e será pós-doutora na MIT neste outono.
Próximos passos
Os pesquisadores planejam unir forças com os neurocirurgiões da CUIMC para validar as capacidades dos implantes baseados em vIGT em salas de cirurgia. A equipe espera desenvolver implantes macios e seguros que possam detectar e identificar várias ondas cerebrais patológicas causadas por distúrbios neurológicos.
.
