Nova Tecnologia de Ultrassom Alimenta Implantes Médicos Sem Fio

O Desafio de Alimentar Implantes Médicos Avançados

Improving the human body, or replacing defective parts, has been a goal of medicine as long ago as the first crude prosthesis of antiquity. Progressively, as mechanical components become more complex, the idea of replacing parts of the body became increasingly popular among science fiction enthusiasts, leading to the idea of cyborgs, people that would be half-human, half-machine.

Em certa medida, podemos argumentar que isso já está acontecendo, com cirurgias como implantes de marcapasso ou cirurgias de quadril realizadas rotineiramente e suplementando problemas no músculo cardíaco ou nas articulações dos pacientes, melhorando-os com implantes metálicos.

À medida que implantes neurais e outros implantes médicos avançados se tornam uma realidade provável na próxima década, estamos de fato mais próximos do que nunca de criar corpos verdadeiramente cibernéticos.

No entanto, ainda há um problema recorrente para a maioria dos implantes médicos: o fornecimento de energia. Marcapassos utilizam baterias muito pequenas porque precisam apenas de níveis de energia muito limitados. Mas implantes como chips neurais provavelmente exigirão muito mais energia.

Métodos tradicionais de carregamento sem fio, como indução eletromagnética e sistemas baseados em radiofrequência comumente usados em smartphones e fones de ouvido, enfrentam vários desafios.

Eles podem ser vulneráveis a problemas como curtas distâncias de transmissão, baixa eficiência energética em tecidos biológicos e suscetibilidade a interferências eletromagnéticas.

Outro método pode se tornar possível, de acordo com o trabalho de pesquisadores da Korea University, Korea Institute of Science and Technology (KIST), Sungkyunkwan University (SKKU – Coreia do Sul), Yonsei University (Coreia do Sul) e da University of California.

Eles desenvolveram uma forma de recarregar dispositivos médicos sem fio usando ultrassom. Publicaram sua descoberta na Advanced Materials¹, sob o título “Um Receptor de Ultrassom Conformado ao Corpo para Transferência de Energia Sem Fio Eficiente e Estável em Carregamento Percutâneo Profundo”.

Por Que a Energia Sem Fio Tem Dificuldade de Penetrar o Tecido Humano

Dispositivos médicos eletrônicos implantáveis (IMDs) são usados em aplicações terapêuticas de doenças ou lesões, como terapia de neuroestimulação e tratamento/monitoramento cardiovascular.

Eles necessitam de cirurgias regulares para substituição da bateria, o que pode levar a complicações para o paciente, como infecções no local cirúrgico, formação de biofilme e altos custos de saúde.

Alguns métodos buscam usar a energia ambiente do corpo, como a do açúcar no sangue, para alimentar esses dispositivos.

Para algumas aplicações, os requisitos de energia tornam essas opções irrealistas. Para aplicações futuras, como implantes neurais, isso é ainda menos provável de funcionar, o que os manteria muito invasivos.

A transferência remota de energia com sistemas eletromagnéticos ou de ondas de rádio penetra mal nos tecidos biológicos e pode causar efeitos colaterais indesejados.

A transferência de energia sem fio fotovoltaica também é inadequada devido a problemas de baixa penetração de luz dentro do tecido e danos térmicos ao tecido.

Em contraste, os ultrassons são bem tolerados pelos tecidos biológicos e podem penetrar profundamente sem causar danos, razão pela qual são rotineiramente usados para fins diagnósticos, inclusive em gestantes.

Como o Ultrassom Permite o Carregamento Sem Fio de Implantes

Graças à sua longa história de uso em diagnósticos, o ultrassom já se beneficia de um extenso conjunto de estudos médicos e normas que determinam os níveis seguros de energia dos ultrassons que podem ser usados (a FDA define isso como um máximo de 0,72 W por centímetro quadrado).

Dois tipos de dispositivos podem converter ultrassom em eletricidade: piezoelétricos (US-PENGs) e nanogeradores triboelétricos (US-TENGs).

US-PENGs foram desenvolvidos para alimentar implantes eletrônicos, mas comumente dependem de cerâmicas piezoelétricas à base de chumbo, que são frequentemente rígidas e podem representar preocupações de toxicidade.

É por isso que os pesquisadores focaram, em vez disso, na tecnologia US-TENG.

Este dispositivo coberto biocompatível, com espessura de 0,4 mm, alcança uma alta densidade de carga adequada para alimentar dispositivos eletrônicos até ≈6 cm de profundidade em intensidades de ultrassom não invasivas.

Como Funciona

Filmes poliméricos finos foram usados para criar um US-TENG totalmente flexível, com camadas de material plástico empilhadas umas sobre as outras, incluindo acrílico ou poli-(metacrilato de metila) (PMMA).

Fonte: Advanced Materials

Alcanos perfluoroalcoxílicos (PFA) foram usados por suas propriedades triboelétricas sob energia mecânica. Uma camada de eletrodo em escala nanométrica foi depositada para manter as propriedades únicas do filme de PFA.

Uma camada robusta de poliuretano (PU) e poli (fluoreto de vinilideno‑trifluoroetileno), e titanato de cálcio e cobre (P(VDF‑TrFE)pol/CCTO) também foi usada para maximizar a produção de carga elétrica.

Fonte: Advanced Materials

Testando o Implante Alimentado por Ultrassom em Condições Reais

Todo o dispositivo foi então encapsulado em uma solução de polidimetilsiloxano (PDMS) para impermeabilização.

Este US-TENG flexível foi testado quanto ao desempenho em água, polímero/hidrogel e tecido de porco.

A primeira aplicação prática seria implantar este dispositivo em um marcapasso, de modo que não seja mais necessária cirurgia adicional para trocar a bateria do dispositivo.

Fonte: Advanced Materials

Paralelamente, a biocompatibilidade do compósito P(VDF‑TrFE)/CCTO em termos de citotoxicidade e genotoxicidade foi confirmada, verificando que é tão seguro na prática quanto os estudos anteriores alegaram.

A geração de energia foi medida precisamente usando um vibromêtro a laser, verificando a vibração do dispositivo. Isso confirmou um ganho aprimorado de 44 % do US‑TENG em comparação com a versão anterior da tecnologia de categoria similar.

Fonte: Advanced Materials

Finalmente, eles testaram a eficiência do sistema dependendo da intensidade do ultrassom, distância e ângulo da fonte de ultrassom, determinando se poderia ser usado em condições realistas para um dispositivo médico no corpo humano.

Confirmou que intensidades relativamente baixas de ultrassom, distâncias de até 4‑8 centímetros (1,5‑3 polegadas) e uma faixa relativamente ampla de ângulos poderiam funcionar.

Fonte: Advanced Materials

Garantindo Flexibilidade e Durabilidade dos Implantes Médicos

Outro desafio dos dispositivos médicos implantáveis é que eles precisam ser idealmente muito flexíveis, pois o corpo humano não é uma estrutura robótica e os órgãos se movem, especialmente o músculo cardíaco.

É por isso que os pesquisadores não apenas usaram materiais flexíveis, mas também mediram se eles permaneciam suficientemente eficientes quando dobrados.

Fonte: Advanced Materials

Eles descobriram que o dispositivo perdeu um pouco de geração de energia quando dobrado em uma direção, mas até ganhou energia quando dobrado na outra direção. O aumento na geração de energia se deve ao melhor aprisionamento das ondas de ultrassom no dispositivo em forma de tigela e ao aumento das colisões de ondas na superfície do dispositivo.

Isso demonstrou que o dispositivo pode ser dobrado sem danificar ou perder suas propriedades geradoras de energia.

Por meio desta pesquisa, demonstramos que a tecnologia de transmissão de energia sem fio usando ultrassom pode ser aplicada de forma prática.

Planejamos conduzir mais pesquisas para miniaturização e comercialização a fim de acelerar a aplicação prática da tecnologia.

Dr. Sunghoon Hur – Researcher at KIST

Considerações Finais: Próximos Passos para a Tecnologia de Implantes por Ultrassom

Dispositivos médicos que podem ser recarregados sem fio seriam uma melhoria tremenda para milhões de pacientes em todo o mundo.

Isso também removeria a limitação de ideias de implantes mais ambiciosas que até agora foram restringidas pela falta de um suprimento de energia realista suficiente para executar a tarefa. Poderia incluir implantes que entregam medicamentos diretamente na corrente sanguínea, monitoram químicos específicos, implantes neurais, etc.

Esta tecnologia de implante poderia ser rapidamente implantada, com apenas 0,4 mm de espessura, alta flexibilidade, boa biocompatibilidade e facilidade de fabricação sem materiais exóticos raros.

A tecnologia poderia ainda encontrar aplicações além de dispositivos médicos, pois poderia ser usada facilmente para recarregar drones subaquáticos sem necessidade de contato, eliminando a necessidade de criar carregadores elétricos à prova d’água.

Investindo em HealthTech 

A Philips é uma marca de eletrônicos de consumo bem conhecida (aparelhos de barbear, escovas de dentes elétricas), igualmente ativa na área de saúde. Por exemplo, foi a número 1 em registro de patentes MedTech na Europa em 2022.

É ativa em produtos médicos conectados, desde wearables até imagens, respiradores ou robôs médicos.

A empresa também atua em semicondutores (incluindo tecnologia maglev) e em alta tecnologia/robótica/automação, com cada atividade compartilhando uma base tecnológica comum.

Fonte: Philips

A Philips oferece wearables para métricas cardíacas, respiratórias e de atividade. Seus sensores podem ser integrados a smartwatches, monitores de saúde, patches médicos e rastreadores de atividade.

A expertise da Philips em sensores biocompatíveis, semicondutores e soluções sem fio pode torná‑la líder em implantes médicos avançados com carregamento sem fio.

Para dispositivos médicos, A Philips prefere uma solução de parceria, onde desenvolve para terceiros seus dispositivos médicos IoT (Internet das Coisas) conectados, totalmente compatíveis com o restante das soluções da Philips. Nesse contexto, oferece aos clientes prototipagem, consultoria regulatória, desenvolvimento de produto de ponta a ponta e produção em escala industrial.

Isso faz da Philips uma empresa focada em tecnologia e uma provável candidata a integrar rapidamente inovações em dispositivos médicos existentes. No total, os dispositivos da Philips afetaram diretamente mais de 1,8 bilhão de pessoas.

A empresa deseja criar um ambiente de saúde digital totalmente integrado, onde sensores correspondam a dispositivos, e então usar múltiplas soluções de conectividade para integrar à solução Philips HealthSuite Cloud e permitir análises de dados aprofundadas.

Fonte: Philips

Como fornecedor da indústria MedTech, frequentemente fabricando para outras marcas, a Philips não é tão visível no setor quanto outras empresas mais proeminentes. Contudo, é especialista em construir dispositivos eletrônicos de alto desempenho e sensores, frequentemente ultrapassando os limites do que é possível em seu nicho de saúde e wearables.

Com wearables e eletrônicos médicos cada vez mais integrados aos protocolos de saúde e medicina, o segmento de Healthcare da Philips provavelmente crescerá como parte do conglomerado.

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da Koninklijke Philips N.V. (PHG)

Referência do Estudo:

^{1. Iman M. Imani, Hyun Soo Kim, et al. Um Receptor de Ultrassom Conformado ao Corpo para Transferência de Energia Sem Fio Eficiente e Estável em Carregamento Percutâneo Profundo. Advanced Materials. Volume 37, Issue 19. 12 de maio de 2025}