Electrodos que fluyen para adaptarse al cuerpo
Los nuevos electrodos de hidrogel sin metal se flexionan para adaptarse a las muchas formas del cuerpo, evitando daños en los órganos.
17 de junio de 2021
Por Lindsay Brownell
(BOSTON) — Las matrices de electrodos metálicos a menudo se utilizan en procedimientos médicos que requieren monitoreo o entrega de impulsos eléctricos en el cuerpo, como la cirugía cerebral y el mapeo de la epilepsia. Sin embargo, los materiales metálicos y plásticos que los componen son rígidos e inflexibles, mientras que los tejidos del cuerpo son blandos y maleables. Este desajuste limita los lugares en los que las matrices de electrodos se pueden utilizar con éxito, y también requiere la aplicación de una gran cantidad de corriente eléctrica para “saltar” la brecha entre un electrodo y su objetivo.
La primera autora, Christina Tringides, sostiene un modelo de cerebro con su electrodo de hidrogel flexible adjunto. Crédito: Instituto Wyss de la Universidad de Harvard
Inspirados por las propiedades físicas únicas de los tejidos humanos vivos, un equipo de científicos del Instituto Wyss de Harvard y la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) ha creado matrices de electrodos flexibles y libres de metales que se ajustan cómodamente a las innumerables formas del cuerpo, desde los pliegues profundos del cerebro hasta los nervios fibrosos del corazón. Este abrazo cercano permite que los impulsos eléctricos se registren y estimulen con voltajes requeridos más bajos, permite su uso en áreas difíciles de alcanzar del cuerpo y minimiza el riesgo de daño a órganos delicados.
A diferencia de los electrodos estándar que están hechos de componentes metálicos rígidos, el electrodo de hidrogel logra la conducción eléctrica a través de una combinación de nanotubos de carbono y escamas de grafeno incrustadas en un hidrogel de alginato ultra flexible. Crédito: Wyss Institute en la Universidad de Harvard. Electrodos que se adaptan a las formas del cuerpo Electrodos que se adaptan a las formas del cuerpo
“Nuestros electrodos a base de hidrogel toman maravillosamente la forma de cualquier tejido en el que se colocan y abren la puerta a la fácil creación de dispositivos médicos menos invasivos y personalizados”, dijo la primera autora Christina Tringides, estudiante de posgrado en el Instituto Wyss y el Programa de Biofísica de Harvard. El logro se reporta en Nature Nanotechnology.
Un dispositivo médico inspirado en el cuerpo humano
Uno de los sellos distintivos de todos los tejidos vivos, particularmente el cerebro y la médula espinal, es que son “viscoelásticos”, es decir, volverán a su forma original si se les aplica presión y luego se liberan, pero se deforman permanentemente en una nueva forma si se aplica continuamente presión. Un ejemplo común es la medición del oído, en la que la colocación de un calibre cada vez más grande en un oído perforado estira el agujero en el lóbulo de la oreja con el tiempo.
A diferencia de los electrodos estándar que están hechos de componentes metálicos rígidos, el electrodo de hidrogel logra la conducción eléctrica a través de una combinación de nanotubos de carbono y escamas de grafeno incrustadas en un hidrogel de alginato ultraflexible. Crédito: Instituto Wyss de la Universidad de Harvard
Tringides y su equipo se dieron cuenta de que los hidrogeles de alginato,que se han desarrollado en el Instituto Wyss para una serie de funciones, incluidos los adhesivos quirúrgicos y la encapsulación unicelular,también sonviscoelásticos, y razonaron que deberían ser capaces de sintonizarlos para que coincidan con la viscoelasticidad de los tejidos. Dada su experiencia en ingeniería neuronal, Tringides decidió tratar de crear electrodos totalmente viscoelásticos que pudieran igualar la viscoelasticidad del cerebro para un monitoreo neuroeléctrico más seguro y efectivo. Los electrodos estándar están hechos de matrices conductoras de metal contenidas dentro de una película plástica delgada, y son hasta un millón de veces más rígidas que el cerebro. Electrodos que se adaptan a las formas del cuerpo Electrodos que se adaptan a las formas del cuerpo
La primera tarea del equipo fue probar si sus hidrogeles de alginato podían ajustarse con éxito a los tejidos vivos. Después de experimentar con diferentes tipos de hidrogeles, se establecieron en una versión que más se ajustaba a las propiedades mecánicas del cerebro y el tejido cardíaco. Luego colocaron su hidrogel en un “cerebro” falso hecho de agarosa gelatinosa, y compararon su rendimiento con el de un material plástico y un material elástico. Electrodos que se adaptan a las formas del cuerpo Electrodos que se adaptan a las formas del cuerpo
El hidrogel de alginato tuvo el doble de contacto con el cerebro simulado subyacente en comparación con los otros materiales, e incluso pudo penetrar en algunos de los muchos surcos profundos del cerebro. Cuando dejaron los materiales en los cerebros simulados durante dos semanas, el material elástico se había movido sustancialmente de su ubicación original e inmediatamente volvió a su forma original cuando se quitó del tejido simulado subyacente. Por el contrario, el hidrogel de alginato permaneció en su posición todo el tiempo y conservó su forma de cerebro después de la extracción.
Siguiendo la corriente
Ahora que el equipo tenía un material que podía flexionarse y fluir alrededor de los tejidos, tuvieron que inventar un electrodo que pudiera hacer lo mismo. La gran mayoría de los electrodos están hechos de metal porque los metales son altamente conductores de electricidad, pero también muy rígidos e inflexibles.
Una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) muestra un primer plano de las escamas de grafeno del electrodo y los componentes de nanotubos de carbono. Estos materiales se entrecruzan entre sí en muchos puntos, creando un camino continuo para el flujo de corriente eléctrica. Crédito: Instituto Wyss de la Universidad de Harvard
Después de muchos experimentos y noches en el laboratorio, el equipo identificó una combinación de escamas de grafeno y nanotubos de carbono como su principal candidato. “Parte de la ventaja de estos materiales es su forma alargada y estrecha. Es un poco como tirar una caja de espaguetis crudos al suelo: debido a que los fideos son todos largos y delgados, es probable que se crucen entre sí en varios puntos. Si arrojas algo más corto y redondo al piso, como arroz, muchos de los granos no se tocarán en absoluto ”, dijo Tringides.
Cuando estos materiales similares a espaguetis se incrustaron en los hidrogeles de alginato, se cruzaron a través del gel para crear vías porosas y conductoras a través de las cuales podía viajar la electricidad. Estos electrodos flexibles pueden doblarse más de 180 grados y atarse en nudos sin romperse, lo que los convierte en un compañero perfecto para el hidrogel de alginato viscoelástico.
Para ponerlo todo junto, el equipo rodeó su nuevo electrodo conductor con una capa aislante de un polímero de silicona autocurativo llamado PDMS, que luego fue intercalado entre dos capas del hidrogel de alginato. El dispositivo resultante era muy flexible y podía estirarse hasta 10 veces su longitud sin romperse ni rasgarse. Cuando se cultivaron células cerebrales vivas como astrocitos y neuronas en los dispositivos, las células no mostraron daños ni otros efectos negativos, lo que sugiere que el dispositivo podría usarse de forma segura en tejidos vivos.
Una matriz alternativa para cirugías más seguras
Luego, el equipo probó su nueva matriz de electrodos viscoelásticos en condiciones del mundo real uniéndola a un corazón de ratón. El dispositivo permaneció en su lugar sobre el tejido mientras se movía y permaneció intacto durante decenas de miles de contracciones musculares. Luego, los investigadores ampliaron la escala, conectando su dispositivo a un cerebro de rata, un corazón de rata y un corazón de vaca, todos los cuales no experimentaron daños ni deslizamientos del dispositivo, incluso cuando se doblaron más de 180 grados. Por el contrario, una matriz de electrodos comercial no permanecía en contacto con el corazón de la vaca cuando se doblaba más de 90 grados.
Finalmente, la matriz de electrodos viscoelásticos se utilizó con éxito tanto para estimular los nervios como para registrar la actividad eléctrica in vivo . Cuando el dispositivo se conectó a la pata trasera de un ratón vivo, los investigadores estimularon con éxito la contracción de diferentes músculos variando cuál de los varios electrodos entregó la estimulación. Luego conectaron su dispositivo al corazón de un ratón y al cerebro de una rata durante las cirugías. El dispositivo registró con éxito la actividad eléctrica del corazón y el cerebro, que se dobló para adherirse a áreas de difícil acceso y no causó lesiones a los animales durante su uso.
El electrodo de hidrogel puede “fluir” para adaptarse a las muchas superficies irregulares y grietas del cuerpo sin dañar los tejidos delicados. Crédito: Instituto Wyss de la Universidad de Harvard. Se muestra aquí en un “cerebro” falso hecho de agarosa gelatinosa. Crédito: Instituto Wyss de la Universidad de Harvard
“La viscoelasticidad de este dispositivo marca una nueva dirección en los dispositivos médicos, que generalmente están diseñados para ser puramente elásticos”, dijo el autor correspondiente Dave Mooney , Ph.D., miembro de la facultad Wyss Core y líder de Immuno-Materials del Instituto. plataforma. “Al adoptar el enfoque opuesto, podemos interactuar con los tejidos del cuerpo mucho más estrechamente, lo que permite una interfaz más funcional sin dañar el tejido”. Mooney es también profesor de bioingeniería de la familia Robert P. Pinkas en SEAS.
david mooney
El equipo continúa desarrollando sus dispositivos y actualmente está trabajando para validarlos en animales más grandes in vivo con el objetivo final de que estén disponibles para su uso durante procedimientos médicos como la cirugía de extirpación de tumores cerebrales y el mapeo de la epilepsia. También esperan que esta nueva tecnología permita realizar el registro eléctrico y la estimulación en partes del cuerpo que actualmente son inaccesibles para los dispositivos disponibles comercialmente.
La viscoelasticidad de este dispositivo marca una nueva dirección en los dispositivos médicos … [ellos] pueden interactuar con los tejidos del cuerpo mucho más estrechamente, lo que permite una interfaz más funcional sin dañar el tejido.
DAVID MOONEY
“Me encanta el pensamiento original que este equipo usó para abordar el problema de los electrodos semirrígidos desafiando la suposición de que tenían que estar hechos de metal y plástico sólido para ser efectivos. Este tipo de pensamiento de diseño, resolución de problemas y apreciación de la importancia de igualar la mecánica de los sistemas vivos es lo que nos esforzamos por cultivar y fomentar en el Instituto Wyss, y este es un gran ejemplo de los beneficios que se pueden obtener como resultado. ”,
Don Ingber
Dijo Don Ingber , MD, Ph.D., Director Fundador del Instituto Wyss. Ingber también es profesor Judah Folkman de Biología Vascular en la Escuela de Medicina de Harvard y del Programa de Biología Vascular en el Boston Children’s Hospital, y profesor de Bioingeniería en SEAS.
Otros autores del artículo incluyen a Nicolas Vachicouras, Alix Trouillet, Florian Fallegger y Stéphanie P Lacour de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza; Irene de Lázaro, Hua Wang, Bo Ri Seo y Alberto Elosegui-Artola del Instituto Wyss y SEAS; Yuyoung Shin y Cinzia Casiraghi de la Universidad de Manchester, Reino Unido; y Kostas Kostarelos de la Universidad de Manchester y el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología, España.
Esta investigación fue apoyada por la National Science Foundation, los National Institutes of Health, el Wyss Institute for Biological Inspired Engineering en Harvard University, el National Institute of Dental & Craniofacial Research, el Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health & Human Development, the European El programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de Union, el EPSRC, la Fundación Bertarelli, el Centro Wyss de Ginebra y el SNSF Sinergia.
El Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de la Universidad de Harvard (http://wyss.harvard.edu) utiliza los principios de diseño de nature para desarrollar materiales y dispositivos bioinspirados que transformarán la medicina y crearán un mundo más sostenible. Los investigadores de Wyss están desarrollando nuevas soluciones de ingeniería innovadoras para la atención médica, la energía, la arquitectura, la robótica y la fabricación que se traducen en productos comerciales y terapias a través de colaboraciones con investigadores clínicos, alianzas corporativas y la formación de nuevas empresas. El Instituto Wyss crea avances tecnológicos transformadores al participar en la investigación de alto riesgo y cruza las barreras disciplinarias e institucionales, trabajando como una alianza que incluye las Escuelas de Medicina, Ingeniería, Artes y Ciencias y Diseño de Harvard, y en asociación con el Centro Médico Beth Israel Deaconess, el Hospital Brigham and Women’s, el Hospital Infantil de Boston, el Instituto de Cáncer Dana-Farber, el Hospital General de Massachusetts, la Facultad de Medicina de la Universidad de Massachusetts, el Hospital de Rehabilitación Spaulding, la Universidad de Boston, la Universidad Tufts, la Charité – Universitätsmedizin Berlin, la Universidad de Zúrich y el Instituto de Tecnología de Massachusetts.
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