El sistema nervioso está cargado de información codificada:pensamientos, emociones, control del motor. Este sistema en nuestros cuerpos es un enigma, y cuanto más podamos hacer para entenderlo, cuanto más podamos hacer para mejorar la vida humana. Las interfaces cerebro-máquina proporcionan una forma de conectarse con este desconcertante sistema de órganos, incluido el cerebro. Pero debido a que los dispositivos electrónicos son rígidos, planar y rígido, causan lesiones en los tejidos blandos del cerebro.
Hasta ahora, Ha sido un gran desafío desarrollar un material y un método de fabricación que sea lo suficientemente flexible como para fusionarse con el cerebro, pero lo suficientemente adhesivo para permanecer en un solo lugar. Sin embargo, El profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales e ingeniería biomédica de la Universidad Carnegie Mellon Chris Bettinger y su grupo han creado un material de hidrogel y un proceso de fabricación para electrodos que se adhieren al cerebro. haciendo juego su suave, maquillaje blando.
"Imagina que tienes un tazón de gelatina, e inserta un tenedor de plástico rígido en el recipiente y lo mueve, "dice Bettinger." Va a dañar la gelatina, produciendo defectos y cambios estructurales irreversibles. Esa situación es análoga a insertar una sonda electrónica rígida en un tejido blando como el cerebro de alguien. Es una combinación de lo que llamamos micro-movimiento y mecánica, que trabajan juntos no solo para dañar el cerebro, pero también comprometen la función del sensor implantado ".
El electrodo rígido detecta cuándo se activan las neuronas y registra los voltajes asociados con esas neuronas que se activan. Pero con el tiempo el cuerpo interpreta este material como una lesión y un cuerpo extraño que necesita ser atacado, degradado, aislado, y eliminado. Luego, las células inflamatorias rodean la sonda, interrumpir la intensidad de la señal de las neuronas en esa área.
En los últimos veinte años, La electrónica basada en silicio ha progresado de forma rígida y plana a curva, flexible, y estirable. La rigidez de estos componentes electrónicos ha pasado de ser rígida como la madera, delgado y flexible como el papel, a elásticas y flexibles como bandas de goma. Ahora, El equipo de Bettinger va un paso más allá, haciéndolos no solo flexibles y estirables, pero también extremadamente suave y adhesivo.
"Si pudiéramos fabricar dispositivos electrónicos que tuvieran propiedades mecánicas más cercanas a 'Jell-O' en lugar de madera o plástico, entonces podemos interconectar subrepticiamente las sondas neuronales con el cerebro de una manera más benigna, "dice Bettinger.
El desafío es que los procesos utilizados para fabricar componentes electrónicos sofisticados requieren altas temperaturas (400 C o más), una aspiradora, y disolventes exóticos, tampones ácidos y bases para grabar materiales y patrones. Ninguno de estos es compatible con materiales de hidrogel blando.
Para combatir estos problemas fundamentales, Bettinger y su equipo crearon una nueva forma de fabricar la electrónica, desacoplando los procesos de fabricación de la parte electrónica y el sustrato blando en el que está incrustado. Primero, construyen la parte electrónica sobre un sustrato compatible con altas temperaturas, solventes extremos, y un vacio, y crear el sustrato de hidrogel por separado. Luego, retiran la pieza electrónica de su sustrato original y la adhieren al sustrato de hidrogel. El dispositivo final contiene una fina capa de componentes electrónicos sobre un flexible, y sustrato pegajoso que tiene propiedades mecánicas similares a las del sistema nervioso.
Otro desafío fue crear un material que aún fuera adhesivo en el fluido. Si el material no se puede adherir cuando está mojado, sería como tratar de llevar una tirita mientras está en la piscina. Para que el electrodo funcione, debe quedarse pegado en un lugar durante un período de tiempo prolongado. Los investigadores estudiaron las propiedades de animales como el mejillón azul, que se adhiere a las rocas bajo el agua. Aplicaron esos mismos principios químicos al crear el sustrato de hidrogel.
"En lugar de tener que tomar un cerebro o una médula espinal y luego clavarle algo y luego lesionarlo, "dice Bettinger, "Podemos laminarlo en la parte superior y evitar dañar el tejido".
El hecho de que los ganglios no dañen el tejido y no se muevan significa que pueden registrar una señal más fuerte y precisa de las neuronas que se activan. Las sondas ahora podrían usarse no solo para registrar señales, sino también para estimular terapias.
Por ejemplo, el conjunto de electrodos de la sonda podría bloquear la señal que induce la inflamación en personas con artritis reumatoide. En lugar de usar analgésicos como opiáceos, una terapia basada en electrónica que estimula las regiones apropiadas de la médula espinal podría ser más dirigida y efectiva, evitando al mismo tiempo el riesgo de adicción en comparación con las intervenciones de base farmacéutica. Los electrodos también se pueden utilizar para aplicaciones de grabación a largo plazo, como probar cómo un nuevo fármaco podría afectar al corazón. Un pegajoso electrodo blando que puede doblarse y flexionarse puede acomodar el corazón, registrar sus contracciones, e indicar qué fármaco podría ser más eficaz.
"Estamos tratando de mejorar el ancho de banda temporal de estas sondas, preservando la longevidad del material. Entonces podemos adquirir más información y mantener una relación señal-ruido adecuada, ", dijo Bettinger." Investigadores en múltiples disciplinas están tratando de mejorar la forma en que los dispositivos electrónicos pueden interactuar con el sistema nervioso. Creemos que estamos contribuyendo a este esfuerzo más amplio al expandir la caja de herramientas de materiales para mejorar el rendimiento del dispositivo ".
Bettinger y su grupo están colaborando con investigadores en ingeniería eléctrica e informática de Carnegie Mellon y con investigadores de la Universidad de Pittsburgh. Sus hallazgos han sido publicados en Materiales funcionales avanzados .
