La electrónica inyectable podría usarse para monitorear la actividad cerebral

La electrónica inyectable podría usarse para monitorear la actividad cerebral

La electrónica inyectable podría usarse para monitorear la actividad cerebral

Grupo de Investigación Lieber, Universidad de Harvard

La electrónica flexible tiene una amplia aplicabilidad, que va desde el desarrollo de pantallas plegables hasta monitores de salud personales. Los científicos están especialmente interesados ​​en utilizar estos materiales para aplicaciones médicas; han desarrollado componentes electrónicos tridimensionales flexibles compatibles con el cuerpo humano, y estos son prometedores para la integración en varios tejidos.

Sin embargo, todavía existen limitaciones significativas que deben abordarse antes de que estos bioelectrónicos puedan usarse de manera efectiva en un entorno clínico. Por ejemplo, es muy difícil entregar productos bioelectrónicos blandos a regiones enfermas de una manera amigable para el paciente. Recientemente, un equipo internacional de científicos demostró que la electrónica de malla flexible se puede compactar y administrar mediante inyección con jeringa.

Después de fabricarse, los componentes electrónicos de malla se cargan en una aguja que se inserta en una cavidad interna y la malla se inyecta a medida que se retira la aguja, colocando los componentes electrónicos en la región objetivo. La malla está formada por elementos longitudinales de polímero/metal/polímero que interconectan la electrónica incrustada en el polímero. Los científicos descubrieron que la rigidez transversal y longitudinal del material podía optimizarse para permitir que la malla se «enrollara» al pasar por la aguja.

Los científicos demostraron que podían inyectar una muestra de malla de 2 mm de ancho a través de una aguja de vidrio con un diámetro interior de solo 95 μm. Durante la inyección, la estructura de malla se despliega continuamente a medida que sale de la aguja. La inyección de la malla a través de una aguja con un diámetro interior de 600 μm produjo resultados similares.

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Una vez inyectado, ¿realmente funciona? El comportamiento eléctrico se estudió tras introducir la malla en soluciones salinas tamponadas con fosfato a través de agujas con un diámetro interior de 100 a 600 μm. Más del 94% de los dispositivos sobrevivieron. El cambio de impedancia, que mide la oposición que presenta un circuito a una corriente cuando se aplica un voltaje, es una característica importante para algunas aplicaciones y se ha encontrado que tiene un valor bajo del 7% después de la inyección, lo cual es bastante bueno.

También probaron diferentes estructuras de malla. Los científicos descubrieron que los dispositivos que tenían un ángulo de 45° en cada unión de la malla podían inyectarse sin problemas incluso cuando los anchos eran significativamente mayores que el diámetro interior de las agujas. Por ejemplo, una malla electrónica de 1,5 cm de ancho podría inyectarse sin problemas a través de una aguja con un diámetro interior 33 veces menor. El ángulo de 45° parece limitar el impacto de los esfuerzos sufridos por la malla durante la inyección.

Los científicos exploraron el uso de sus dispositivos para llevar productos electrónicos a las regiones internas de estructuras hechas por el hombre y animales vivos. Se inyectaron componentes electrónicos en malla que incorporan sensores de tensión (hechos de nanocables de silicio piezorresistivos) con precursores de polímeros en cavidades de polidimetilsiloxano (PDMS). Los investigadores monitorearon la respuesta de los sensores a la deformación de las estructuras PDMS. Los resultados de este estudio sugieren que estos sensores podrían usarse para monitorear y mapear tensiones internas en componentes estructurales de una manera que actualmente no es posible. Los científicos esperan que esto pueda extenderse para medir otros tipos de cambios químicos como el pH.

El equipo también exploró cómo reaccionaría la malla después de inyectar un gel que imita las telas reales. Crearon uno sin cavidad a partir de Matrigel, que a menudo se usa para aplicaciones de ingeniería de tejidos. Estos estudios revelaron que la malla se despliega aproximadamente un 80 % en el gel en dirección radial durante un período de tres semanas cuando se mantiene a la temperatura corporal. Descubrieron que la extensión del despliegue de la malla dependía en gran medida de la concentración de gel y de las propiedades mecánicas de la malla.

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Finalmente, los científicos inyectaron la electrónica en los cerebros de roedores vivos. Se seleccionaron el ventrículo lateral (un espacio relativamente abierto) y el hipocampo porque la entrega de biomateriales blandos a estas áreas generalmente requiere cirugías más invasivas. Estos estudios revelaron que la malla electrónica podría inyectarse en el ventrículo lateral con poca respuesta tisular crónica. Después de la inyección, la malla se expandió, integrándose en la matriz extracelular local. Las células pudieron unirse a la malla, formando uniones estrechas; las células neuronales incluso pudieron migrar cientos de micrómetros a través de la malla. Estos resultados indican que la malla tiene el potencial de usarse para movilizar y controlar las células neurales en el ventrículo lateral después de una lesión cerebral.

Luego, los científicos inyectaron la malla en el tejido denso del hipocampo. En este caso, la malla se extiende completamente en dirección longitudinal. Se encontró que las neuronas sanas rodeaban partes de la malla electrónica. Por el contrario, los astrocitos, células involucradas en la reparación después de una lesión cerebral traumática, tuvieron una proliferación limitada o nula alrededor de la malla electrónica, lo que indica que la implantación de la malla causa un daño mínimo al tejido cerebral. El equipo también verificó que la electrónica de la malla inyectada podía registrar la actividad cerebral en el hipocampo de los ratones anestesiados.

Los científicos creen que dos factores principales contribuyen a la biocompatibilidad de su electrónica de malla. Su rigidez a la flexión ultrapequeña es similar a la de los tejidos, y sus características a microescala son similares al tamaño de las células; ya se ha demostrado que estos dos factores reducen el daño. Estos dispositivos electrónicos de malla han superado a la mayoría de los dispositivos bioelectrónicos blandos anteriores y se muestran prometedores como base para el desarrollo de nuevos monitores biomédicos.

La nanotecnología de la naturaleza2015. DOI: 10.1038/NNANO.2015.115 (Acerca de los DOI).

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