Eletrônica Interna – Construindo a Ponte com Ouro

O mercado de dispositivos médicos implantáveis está crescendo de forma constante, impulsionado por um aumento de doenças crônicas e maior conscientização dos consumidores. O ritmo é solidamente sustentado pelos avanços tecnológicos, ajudando a tornar esses dispositivos mais eficientes, convenientes e de baixo custo. 

Os números sugerem que o mercado de dispositivos médicos implantáveis mundialmente quase dobrará em uma década, passando de US$105,7 bilhões em 2023 para US$207,0 bilhões em 2033. Hoje, começaremos analisando uma das inovações mais definidoras desse campo nos últimos tempos, que também é sintomática do espaço próspero onde a fisiologia médica se cruza com eletrônicos eficientes. 

Nanofios de Ouro e Eletrodos Flexíveis Estão Prontos para Ser Conectados ao Sistema Nervoso 

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Linköping criou nanofios de ouro e desenvolveu eletrodos flexíveis que podem funcionar de forma equivalente aos nervos humanos em sua elasticidade, condução elétrica e durabilidade dentro do corpo. 

Pesquisadores e especialistas veem um imenso potencial nesta inovação. Para começar, ela abre fronteiras onde poderia ser possível usar ouro em interfaces flexíveis para conectar eletrônicos ao sistema nervoso para fins médicos. 

Se implantada corretamente, isso pode resultar no alívio de condições tão complexas quanto epilepsia, doença de Parkinson e paralisia, e tão onipresentes quanto a dor crônica. 

Há bastante tempo, pesquisadores em todo o mundo têm se interessado em criar eletrodos flexíveis que não danifiquem o tecido. Essa conquista específica dos pesquisadores da Universidade de Linköping ajudou a alcançar isso ao criar nanofios de ouro que eram mil vezes mais finos que um fio de cabelo e incorporados em um material elástico que poderia funcionar como microeletrodos flexíveis. 

Klas Tybrandt, ao elaborar sobre a singularidade da pesquisa e seus resultados, disse o seguinte:

“Conseguimos criar um novo e melhor nanomaterial a partir de nanofios de ouro em combinação com silicone muito macio. Fazer com que esses trabalhem juntos resultou em um condutor com alta condutividade elétrica, muito flexível e feito de materiais biocompatíveis que funcionam com o corpo.”

Criando Nanofios de Ouro: Desafios Superados

Uma das principais dificuldades que os pesquisadores enfrentaram foi a produção de nanostruturas de ouro longas e estreitas. Eles desenvolveram uma maneira única de superar esse desafio, usando nanofios de prata. Explicando como essa façanha única poderia ser alcançada, Klas Tybrant disse o seguinte:

“Como é possível fabricar nanofios de prata, aproveitamos isso e usamos o nanofio de prata como uma espécie de molde no qual cultivamos ouro. O próximo passo no processo é remover a prata. Uma vez feito isso, temos um material que contém mais de 99% de ouro.”

Originalmente, os pesquisadores não podiam usar prata porque ela é quimicamente reativa, desgasta‑se com o tempo e corre o risco de se decompor e descolorir. Além disso, altas concentrações de prata podem ser tóxicas para o corpo humano. Portanto, foi necessário revesti‑la com ouro.

Quanto ao material que desenvolveram e sua durabilidade, os pesquisadores acreditam que sua solução pode durar pelo menos três anos, superando muitos nanomateriais desenvolvidos anteriormente.

Em breve, a equipe de pesquisa começará a refinar o material e a criar diferentes tipos de eletrodos que serão ainda menores e capazes de entrar em contato mais próximo com as células nervosas.

O Diversificado Mundo dos Implantáveis

Embora a utilidade desta pesquisa já tenha sido citada, existem muitos outros implantáveis disponíveis no setor de tecnologia médica. Eles ajudam a tornar o diagnóstico e o tratamento mais consistentes, acessíveis e eficientes. 

Por exemplo, cientistas da Universidade Georgia Tech desenvolveram um sensor implantável e vestível que monitora a cicatrização de aneurismas dentro dos vasos sanguíneos do cérebro. Como funciona sem baterias, pode ser enrolado em stents ou desviadores implantados para regular o fluxo sanguíneo.

O sensor é criado usando impressão 3D por jato de aerossol, que deposita trilhas condutoras de prata em substratos elastoméricos. Inserido via cateter, utiliza acoplamento indutivo de sinais para detecção sem fio da hemodinâmica biomimética de aneurismas cerebrais.

O processo envolve três bobinas. Uma bobina captura energia eletromagnética transmitida por outra bobina fora do corpo. À medida que o sangue flui através do stent, o sensor implantado altera sua capacitância, modificando o sinal transmitido para uma terceira bobina externa.

Em outra instância de trabalho semelhante, um grupo de engenheiros da Texas A&M University desenvolveu um dispositivo que usa grafeno e injeta corrente alternada na pele para monitorar a pressão arterial. 

Chamadas Graphene Electronic Tattoos, esses sensores de grafeno adesivos podem rastrear a saúde cardiovascular por meio de monitoramento contínuo. Eles podem continuar funcionando e coletando dados relevantes mesmo quando o paciente está dormindo, se exercitando ou enfrentando situações de alto estresse. 

Pesquisas também estão em andamento para determinar como esses dispositivos implantáveis podem captar e utilizar energia. Por exemplo, uma equipe de pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology desenvolveu uma bateria que obtém sua energia da glicose. A bateria inovadora tem apenas 400 nanômetros de espessura, ou cerca de 1/100 da espessura de um fio de cabelo humano. Ela gera cerca de 43 microwatts por centímetro quadrado de eletricidade e pode suportar temperaturas de até 600 °C. 

Os pesquisadores usaram um substrato cerâmico ultrafino e uma solução de glicose para conferir à bateria flexibilidade e torná‑la conveniente de ser colocada dentro do corpo. 

Enquanto os pesquisadores trabalham para criar o maior número possível de soluções tecnológicas novas e únicas, algumas empresas têm se dedicado a disponibilizar dispositivos implantáveis eficientes para adoção em massa. Nos próximos trechos, analisaremos algumas dessas soluções comerciais. 

#1. CorTec

Uma das empresas que tem entregado consistentemente soluções inovadoras é a CorTec. Uma empresa certificada ISO 13485, a CorTec desenvolve e fabrica produtos e componentes para neuromodulação e tecnologia de implantes ativos em seus laboratórios internos e infraestrutura de salas limpas. 

A linha patenteada de eletrodos AirRay da CorTec mostra‑se útil para estimulação e registro do tecido nervoso, servindo como interfaces ideais ao sistema nervoso para dispositivos médicos. 

Por exemplo, os eletrodos de manguito AirRay fornecem uma interface elétrica ao sistema nervoso periférico, enquanto os eletrodos em grade e em tira são projetados para interagir com o sistema nervoso central. Os eletrodos percutâneos AirRay destinam‑se ao uso subcutâneo, bem como ao registro e estimulação da medula espinhal. Por fim, os eletrodos em forma de pá (paddle) AirRay oferecem uma interface elétrica ao sistema nervoso central, direcionando‑se especificamente à medula espinhal.

Além dessa linha, uma das soluções patenteadas da CorTec inclui seus Eletrodos Corticais. São os eletrodos ECoG da CorTec para neuromonitoramento invasivo. Por meio desses eletrodos, é possível realizar o monitoramento dos sinais elétricos cerebrais, o que está alinhado com os requisitos de localização de focos epileptogênicos ou mapeamento cerebral. Os eletrodos podem ser usados por no máximo 29 dias, e é possível conectar um total de 64 eletrodos usando apenas dois cabos. Os contatos dos eletrodos são quase imperceptíveis e travam com segurança no material, evitando sua separação do silicone.

Um dos aspectos mais críticos dos eletrodos corticais da CorTec é que a FDA considerou‑os adequados para aprovação e liberação de mercado para neuromonitoramento invasivo no sistema nervoso central. O portfólio de produtos inclui todas as possíveis disposições de contato, de 1×4 a 8×8 eletrodos.

Além de significativo financiamento público, a CorTec, conforme sua declaração oficial, levantou quatro rodadas de financiamento. Sua lista de investidores atuais inclui Mangold Invest, M‑Invest, Kfw, High‑Tech Gründerfonds, Santo Venture Capital GmbH, LBBW Venture Capital e K & S W Invest. 

O financiamento público inclui subsídios do Ministério Federal Alemão da Educação e Pesquisa (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF) e da União Europeia.

#2. Atrotech

Outra empresa que tem realizado um trabalho relativamente nichado, porém revolucionário, neste espaço há décadas é a Atrotech. Fundada em 1984 e localizada no Technopolis Hermia, Tampere, Finlândia, a Atrotech surgiu como resultado de ideias de produtos interdisciplinares que combinaram as ciências médicas e de bioengenharia, com o foco principal de suas atividades no campo da estimulação elétrica funcional (FES). 

Duas das principais contribuições da Atrotech neste campo incluem o projeto e a fabricação de neuroestimuladores implantáveis e eletrodos implantáveis.

Ao desenvolver os eletrodos, a empresa aproveita seus mais de 30 anos de expertise na fabricação de eletrodos de contato de platina de alta qualidade, fios condutores e conectores multipolares. A área de serviço que atende inclui projetos de pesquisa, ensaios clínicos e dispositivos médicos distribuídos comercialmente. 

A empresa possui um processo de produção flexível, permitindo‑lhe fabricar pequenas quantidades assim como volumes maiores em escala, de forma rápida e econômica. Além disso, a empresa mantém contato com diversos médicos e universidades nas fases iniciais de desenvolvimento e prototipagem de potenciais novos dispositivos médicos.

Um dos estudos que a empresa financiou recentemente visou avaliar a viabilidade e segurança de uma nova abordagem de neuroestimulação temporária, removível e cirurgicamente implantada, envolvendo a porção distal do nervo frênico. Para o estudo, a empresa desenvolveu um eletrodo estimulador do nervo frênico temporário (tPNS) especialmente projetado. 

Essa colaboração entre empresas especializadas e focadas na indústria e um conjunto de pesquisadores e médicos espalhados pelo mundo faz o futuro da eletrônica interna parecer promissor e pronto para florescer. 

A Trajetória Futurista da Eletrônica Interna

De acordo com uma pesquisa recente publicada em julho de 2024 na revista ‘Nature’, pesquisadores desenvolveram um eletrodo implantável baseado em liga bioabsorvível de Mg‑Nd‑Zn‑Zr que funcionaria bem em uma aplicação de soldagem de tecido por radiofrequência (RF) de próxima geração.

Espera‑se que o eletrodo reduza os danos térmicos e aumente a resistência anastomótica. Projetado com diferentes características estruturais de superfície cilíndrica (CS) e anel longo contínuo (LR) na área de soldagem, as simulações eletrotermais do eletrodo foram estudadas por análise de elementos finitos (FEA).

Os resultados mostraram que a temperatura média na área de soldagem e a proporção de tecido necrótico diminuíram significativamente ao aplicar uma corrente alternada de 110 V por 10 segundos ao eletrodo LR. As temperaturas máxima e média dos tecidos soldados pelo eletrodo LR também puderam ser reduzidas significativamente, enquanto a resistência anastomótica do tecido soldado melhorou.

Imec, um laboratório fundado em 1984 para auxiliar e possibilitar a escalabilidade funcional da indústria de semicondutores, também realizou avanços pioneiros em implantáveis em escala nano. Contribuiu para o desenvolvimento de implantes minimamente invasivos adequados para próteses hápticas de próxima geração. O protótipo de chip implantável que a Imec desenvolveu em parceria com a Universidade da Flórida oferece aos pacientes um controle mais intuitivo sobre suas próteses de braço. Um de seus principais componentes, o chip de silício fino, é o primeiro do mundo em densidade de eletrodos e foi desenvolvido como parte do projeto IMPRESS, financiado pelo programa HAPTIX da DARPA, para criar um sistema de circuito fechado para a tecnologia de próteses hápticas de geração futura.

Uma das publicações científicas sobre a importância da bioeletrônica implantável baseada em carbono fez uma observação crucial sobre a utilidade da eletrônica interna. Citando literalmente, a publicação observa: “

Porque a bioeletrônica implantável pode detectar informações corporais ou provocar reações corporais em seres vivos a partir de locais fora do corpo, ela está se tornando uma solução útil e promissora para uma variedade de doenças.

”

No futuro, os materiais de carbono desempenharão um papel crucial na fabricação de eletrônicos médicos implantáveis. Essas vantagens incluem a alta biocompatibilidade, resistência à fadiga e baixa gravidade específica dos materiais de carbono. Eles são usados em uma ampla gama de aplicações, incluindo dispositivos de liberação de fármacos, biossensores, estimuladores terapêuticos e armazenamento de energia. Todas essas propriedades têm papel nas áreas neurológica, cardiovascular, gastrointestinal e locomotora.

Atuadores implantáveis, biossensores, sistemas de liberação de fármacos e fontes de energia — todos se beneficiam dos avanços no campo da eletrônica interna ou implantável. O progresso futuro nessa área exigirá uma abordagem mais interseccional envolvendo pesquisadores de biosciência, cientistas de materiais e físicos em todo o mundo.

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