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Realice una búsqueda de imágenes para «implantes electrónicos» y obtendrá una amplia variedad de dispositivos, desde marcapasos e implantes cocleares tradicionales hasta microchips cerebrales y retinales más futuristas destinados a aumentar la visión, tratar la depresión y restaurar la movilidad.
Algunos implantes son duros y voluminosos, mientras que otros son suaves y delgados. Pero independientemente de la forma y la función, casi todos los implantes incorporan electrodos, pequeños elementos conductores que se adhieren directamente a los tejidos objetivo para estimular eléctricamente los músculos y los nervios.
Los electrodos implantables están hechos principalmente de metales rígidos que son eléctricamente conductores por naturaleza. Pero con el tiempo, los metales pueden agravar el tejido, causando cicatrices e inflamación que, a su vez, pueden degradar el rendimiento de un implante.
Ahora, los ingenieros del MIT han desarrollado un material similar a la gelatina sin metales que es tan suave y resistente como el tejido biológico y puede conducir la electricidad de la misma manera que los metales convencionales. El material se puede convertir en una tinta imprimible, que los investigadores moldearon en electrodos flexibles y gomosos. El nuevo material, que es un tipo de hidrogel de polímero conductor de alto rendimiento, algún día podría reemplazar a los metales como electrodos funcionales a base de gel con la apariencia de un tejido biológico.
«Este material funciona como electrodos de metal, pero está hecho de geles similares a nuestros cuerpos y con un contenido de agua similar», dice Hyunwoo Yuk SM ’16, PhD ’21, cofundador de SanaHeal, una empresa emergente de dispositivos médicos. «Es como un tejido o nervio artificial».
“Creemos que por primera vez tenemos un electrodo de tipo gelatina duro y robusto que puede reemplazar potencialmente al metal en la estimulación de los nervios y en la interfaz con el corazón, el cerebro y otros órganos del cuerpo”, agrega Xuanhe Zhao, profesor de mecánica. ingeniería civil y ambiental en el MIT.
Zhao, Yuk y otros en el MIT y en otros lugares informan sus hallazgos hoy en Materiales naturales. Los coautores del estudio incluyen al primer autor y ex postdoctorado del MIT, Tao Zhou, quien ahora es profesor asistente en la Universidad Estatal de Pensilvania, y colegas de la Universidad Normal de Ciencia y Tecnología de Jiangxi y la Universidad Jiao Tong de Shanghai.
un verdadero reto
La gran mayoría de los polímeros son aislantes por naturaleza, es decir, la electricidad no los atraviesa con facilidad. Pero hay una pequeña clase especial de polímeros que realmente pueden pasar electrones a través de su masa. Algunos polímeros conductores mostraron por primera vez una alta conductividad eléctrica en la década de 1970, trabajo que más tarde ganó un Premio Nobel de Química.
Recientemente, los investigadores, incluidos los del laboratorio de Zhao, han estado tratando de usar polímeros conductores para fabricar electrodos flexibles sin metal para usar en implantes bioelectrónicos y otros dispositivos médicos. Estos esfuerzos han tenido como objetivo hacer películas y parches conductores de electricidad suaves pero fuertes, principalmente mezclando partículas de polímero conductor con hidrogel, un tipo de polímero esponjoso suave que es rico en agua.
Los investigadores esperaban que la combinación de polímero conductor e hidrogel diera como resultado un gel flexible, biocompatible y eléctricamente conductor. Pero los materiales fabricados hasta ahora eran demasiado débiles y quebradizos o tenían un rendimiento eléctrico deficiente.
«En los materiales de gel, las propiedades eléctricas y mecánicas siempre luchan entre sí», dice Yuk. “Si mejoras las propiedades eléctricas de un gel, tienes que sacrificar las propiedades mecánicas y viceversa. Pero en realidad, necesitamos ambos: un material debe ser conductor, pero también elástico y robusto. Este fue el verdadero desafío y la razón por la que las personas no pudieron convertir los polímeros conductores en dispositivos confiables hechos completamente de gel.
Espaguetis eléctricos
En su nuevo estudio, Yuk y sus colegas descubrieron que necesitaban una nueva receta para mezclar polímeros conductores con hidrogeles de tal manera que mejoren las propiedades eléctricas y mecánicas de los respectivos ingredientes.
«La gente solía depender de una combinación aleatoria y perfecta de los dos materiales», dice Yuk.
Tales mezclas produjeron geles consistentes en partículas poliméricas dispersas al azar. El grupo se dio cuenta de que para preservar las fuerzas eléctricas y mecánicas del polímero conductor y el hidrogel respectivamente, los dos ingredientes tenían que mezclarse de tal manera que se repelieran ligeramente entre sí, un estado conocido como fase de separación. En este estado ligeramente separado, cada ingrediente podría unir sus respectivos polímeros para formar hebras largas y microscópicas, mientras se mezclan como un todo.
«Imagínese que hacemos espaguetis eléctricos y mecánicos», ofrece Zhao. “El espagueti eléctrico es el polímero conductor, que ahora puede transmitir electricidad a través del material porque es continuo. Y el espagueti mecánico es el hidrogel, que puede transmitir fuerzas mecánicas y ser duro y elástico porque además es continuo.
Luego, los investigadores modificaron la receta para cocinar el gel espaguetizado en tinta, que alimentaron a través de una impresora 3D e imprimieron en películas de hidrogel puro, en patrones similares a los electrodos metálicos convencionales.
«Debido a que este gel es imprimible en 3D, podemos personalizar geometrías y formas, lo que facilita la fabricación de interfaces eléctricas para todo tipo de órganos», dice el primer autor Zhou.
Luego, los investigadores implantaron los electrodos impresos tipo gelatina en el corazón, el nervio ciático y la médula espinal de ratas. El equipo probó el rendimiento eléctrico y mecánico de los electrodos en animales durante un máximo de dos meses y descubrió que los dispositivos se mantuvieron estables en todo momento, con poca inflamación o cicatrización del tejido circundante. Los electrodos también eran capaces de transmitir impulsos eléctricos desde el corazón a un monitor externo, así como pequeños impulsos al nervio ciático y la médula espinal, que a su vez estimulaban la actividad motora en los músculos y extremidades asociados.
En el futuro, Yuk prevé que una aplicación inmediata del nuevo material podría ser para las personas que se recuperan de una cirugía cardíaca.
«Estos pacientes necesitan algunas semanas de asistencia eléctrica para evitar un ataque al corazón como efecto secundario de la cirugía», dice Yuk. “Así que los médicos cosen un electrodo de metal en la superficie del corazón y lo estimulan durante semanas. Podemos reemplazar estos electrodos metálicos con nuestro gel para minimizar las complicaciones y efectos secundarios que la gente acepta actualmente.
El equipo está trabajando para extender la vida útil y el rendimiento del material. Luego, el gel podría usarse como una interfaz eléctrica suave entre los órganos y los implantes a largo plazo, incluidos los marcapasos y los marcapasos cerebrales profundos.
«El objetivo de nuestro grupo es reemplazar el vidrio, la cerámica y el metal dentro del cuerpo con algo como gelatina para que sea más benigno pero funcione mejor y pueda durar mucho tiempo», dice Zhao. «Esa es nuestra esperanza».
Esta investigación es apoyada, en parte, por los Institutos Nacionales de Salud.
