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
Las matrices de electrodos metálicos se utilizan a menudo en procedimientos médicos que requieren la monitorización o la entrega de impulsos eléctricos en el cuerpo. como cirugía cerebral y mapeo de epilepsia. Sin embargo, los materiales metálicos y plásticos que los componen son rígidos e inflexibles, mientras que los tejidos del cuerpo son suaves y maleables. Este desajuste limita los lugares en los que se pueden utilizar con éxito las matrices de electrodos, y también requiere la aplicación de una gran cantidad de corriente eléctrica para "saltar" el espacio entre un electrodo y su objetivo.
Inspirado en 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 sin metal que se ajustan perfectamente a la miríada de 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 del cuerpo de difícil acceso, y minimiza el riesgo de daño a los órganos delicados.
"Nuestros electrodos a base de hidrogel toman maravillosamente la forma de cualquier tejido sobre el que se colocan, y abra la puerta a la fácil creación de menos invasivos, dispositivos médicos personalizados, "dijo la primera autora Christina Tringides, estudiante de posgrado en el Instituto Wyss y el Programa de Biofísica de Harvard. El logro se informa en Nanotecnología de la naturaleza .
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
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 deformará permanentemente en una nueva forma si se aplica presión continuamente. Un ejemplo común es la medición del oído, en el que colocar un calibre cada vez más grande en una oreja perforada alarga el orificio en el lóbulo de la oreja con el tiempo.
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 que incluyen adhesivos quirúrgicos y encapsulación unicelular, también son viscoelásticos, y razonó que deberían poder ajustarlos para que coincidan con la viscoelasticidad de los tejidos. Dada su experiencia en ingeniería neuronal, Tringides decidió intentar crear electrodos totalmente viscoelásticos que pudieran igualar la viscoelasticidad del cerebro para una monitorización neuroeléctrica más segura y eficaz. Los electrodos estándar están hechos de matrices conductoras de metal contenidas dentro de una película de plástico delgada, y son hasta un millón de veces más rígidos que el cerebro.
Una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) muestra un primer plano de las escamas de grafeno del electrodo y los componentes de los nanotubos de carbono. Estos materiales se entrecruzan en muchos puntos, creando un camino continuo para el flujo de corriente eléctrica. Crédito:Instituto Wyss de la Universidad de Harvard
La primera tarea del equipo fue probar si sus hidrogeles de alginato podían adaptarse con éxito a los tejidos vivos. Después de experimentar con diferentes tipos de hidrogeles, se decidieron por una versión que coincidía más estrechamente con las propiedades mecánicas del tejido cerebral y cardíaco. Luego colocaron su hidrogel en un "cerebro" falso hecho de agarosa similar a la gelatina, y comparó su rendimiento con el de un material plástico y un material elástico.
El hidrogel de alginato tuvo el doble de contacto con el cerebro simulado subyacente en comparación con los otros materiales, e incluso fue capaz de adentrarse 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 desde su ubicación original e inmediatamente volvió a su forma original cuando se quitó del tejido simulado subyacente. A diferencia de, el hidrogel de alginato permaneció en posición todo el tiempo y conservó su forma cerebral 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.
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 larga y estrecha. Es un poco como tirar una caja de espaguetis crudos al suelo, porque los fideos son todos largos y delgados, es probable que se crucen en varios puntos. Si arroja algo más corto y redondo al suelo, como el arroz, muchos de los granos no se tocarán en absoluto, "dijo Tringides.
Cuando estos materiales parecidos a espaguetis se incrustaron en los hidrogeles de alginato, se cruzaron a través del gel para crear poros, Vías conductoras a través de las cuales podría viajar la electricidad. Estos electrodos flexibles pueden doblarse más de 180 grados y atarse en nudos sin romperse, haciéndolos un socio perfecto para el hidrogel de alginato viscoelástico.
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
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 se intercala entre dos capas del hidrogel de alginato. El dispositivo resultante fue muy flexible, y se puede estirar hasta 10 veces su longitud sin romperse ni rasgarse. Cuando se cultivaron células cerebrales vivas como astrocitos y neuronas en los dispositivos, las celdas no mostraron daños u otros efectos negativos, sugiriendo que el dispositivo podría usarse de manera 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, adjuntando 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 dobla más de 180 grados. A diferencia de, 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 estaba conectado 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.
"La viscoelasticidad de este dispositivo marca una nueva dirección en los dispositivos médicos, que normalmente están diseñados para ser puramente elásticos, "dijo el autor correspondiente Dave Mooney, Doctor., quien es miembro de Wyss Core Faculty y líder de la plataforma de Immuno-Materials del Instituto. "Al adoptar el enfoque opuesto, podemos interactuar con los tejidos del cuerpo mucho más estrechamente, permitiendo una interfaz más funcional sin dañar el tejido ". Mooney es también profesor de bioingeniería de la familia Robert P. Pinkas en SEAS.
El equipo continúa desarrollando sus dispositivos, y actualmente está trabajando para validarlos en animales más grandes in vivo con el objetivo final de hacerlos disponibles para su uso durante procedimientos médicos como cirugía de extirpación de tumores cerebrales y mapeo de 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.
"Me encanta el pensamiento original que este equipo utilizó 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 el reconocimiento por 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, "dijo Don Ingber, MARYLAND., Doctor., director fundador del Instituto Wyss.
