Dispositivos médicos implantáveis, como sensores que restabelecem o movimento em pessoas paralisadas, têm avançado significativamente nos últimos anos e são uma promessa da medicina regenerativa. Sua implantação em larga escala, porém, esbarra na tecnologia necessária para a comunicação, que pode exigir antenas, baterias e componentes muito grandes. Agora, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia, nos Estados Unidos, acreditam ter encontrado o condutor ideal para transmitir os sinais elétricos entre os equipamentos: o próprio corpo humano.
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Em um artigo publicado na revista Science, os bioengenheiros descrevem o Swans (Smart Wireless Autonomous Networking System), um sistema que utiliza os próprios tecidos como meio condutor de energia. Em experimentos com camundongos, a tecnologia foi usada para fazer sensores colocados nas patas dianteiras controlarem, de maneira seletiva, estimuladores neurais implantados nos membros traseiros. Embora muitos passos sejam necessários antes da incorporação clínica da inovação, os autores destacam que há inúmeras aplicações possíveis, como métodos de liberação de medicamento, bombas implantáveis, sensores fisiológicos e próteses com interfaces neurais.
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"Com o nosso sistema, agora é possível posicionar sensores no melhor local possível para detectar um sinal biológico", disse Alex Abramson, autor senior do estudo e professor assistente na Escola de Engenharia Química e Biomolecular. "Eles não precisam estar conectados, alinhados ou mesmo próximos uns dos outros; podem, simplesmente, enviar sinais uns aos outros através do tecido circundante."
Complexidade
Segundo Abramson, a proposta parte de um problema enfrentado pela bioeletrônica: quanto maior o número de sensores e implantes que precisam trabalhar em conjunto, mais complexa a comunicação entre eles. Dispositivos terapêuticos podem funcionar a partir da interação entre sensores que detectam uma condição do organismo e atuadores que respondem a ela. "Atualmente, essa comunicação depende frequentemente de tecnologias sem-fio que exigem antenas, baterias e componentes eletrônicos que aumentam o tamanho dos dispositivos e podem apresentar limitações quando os aparelhos estão profundamente implantados", explica.
Com o Swans, em vez de fazer o sinal atravessar o organismo por ondas de radiofrequência, os pesquisadores exploram a condutividade dos tecidos. Um dispositivo externo produz pulsos de baixa frequência que geram gradientes de voltagem no corpo. Pequenos circuitos implantados detectam essas variações elétricas e são ativados quando o sinal apresenta determinadas características, como intensidade e duração.
Os autores do estudo explicam que a arquitetura permite criar diferentes "endereços" para os implantes. Um determinado padrão de pulso pode ativar um dispositivo, enquanto outro aciona o segundo. Assim, vários componentes podem permanecer em estado de espera e somente responder quando recebem o sinal para o qual foram configurados. Segundo os pesquisadores, os circuitos Swans podem ser produzidos em escala micrométrica, permitindo que os implantes tenham poucos milímetros, ao mesmo tempo em que o consumo de energia permanece na faixa de microwatts no estado de espera.
Inspiração
Ramy Ghanim, pesquisador de PhD e primeiro autor do estudo, explica que a inspiração para o sistema está na comunicação por meio de sinais iônicos, uma característica presente na fisiologia do organismo. Os cientistas desenvolveram circuitos capazes de reconhecer diferentes combinações de voltagem, duração e frequência dos pulsos. Com isso, conseguiram controlar seletivamente diferentes dispositivos. "Sempre fui apaixonado por criar dispositivos que melhoram a qualidade de vida dos pacientes. A automação melhora os resultados e simplifica os regimes de tratamento", diz.
Ghanim explica que um aspecto que chamou a atenção dos pesquisadores foi o alcance do sistema, testado em laboratório com tecidos de animais. No de porco, contendo pele e osso, um pulso de 10 volts, aplicado a 1 hertz durante 200 microssegundos, produziu um gradiente elétrico por mais de 30cm do material e alcançou até 14cm de profundidade. A área de comunicação foi, assim, mais de 10 vezes maior do que a obtida por alguns dos métodos sem-fio comparados no estudo.
Outro ganho está no consumo de energia. O implante praticamente não consome corrente enquanto aguarda um comando. O gasto aumenta quando o circuito recebe o sinal que ultrapassa seu limiar de ativação. Segundo os cálculos apresentados no artigo, essa arquitetura pode proporcionar uma vida útil mais de 15 vezes maior que a de dispositivos baseados em Bluetooth Low Energy e NFC (aquela que comunica o chip do cartão de crédito às máquinas por aproximação) nas condições analisadas.
Depois de testar o sistema Swans com tecidos de animais, os pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia partiram para o experimento em camundongos vivos. Eles colocaram sensores baseados em grafeno nas patas dianteiras dos roedores. Esses dispositivos detectavam alterações associadas ao movimento. A informação era enviada a uma placa eletrônica vestível, que interpretava o sinal e produzia um pulso elétrico específico.
O pulso, então, transmitido para dentro do organismo por pequenas agulhas metálicas. Um implante localizado na região da pata traseira recebia o sinal e acionava um circuito conectado a um estimulador do nervo ciático. Como resultado, o membro era movimentado.
O sistema foi capaz de diferenciar comandos para diferentes implantes. Os pesquisadores utilizaram transistores com características distintas para que os dispositivos respondessem a diferentes sinais. Em um conjunto de experimentos, dois equipamentos terapêuticos foram acionados de maneira independente por pulsos com diferentes amplitudes e durações.
O estudo não demonstra recuperação de movimento voluntário em animais paralisados. O que se comprovou foi a capacidade de um sensor externo detectar um evento e, por meio da rede, provocar uma resposta motora por estimulação nervosa, esclarece Alex Abramson, autor senior da pesquisa. Ele diz que há muitos desafios antes da aplicação clínica, incluindo a certeza de que o implante permanecerá no organismo sem causar danos e mantendo seu funcionamento ao longo do tempo.
Ele, porém, está otimista com as futuras aplicações do sistema. Nossa maior esperança é automatizar completamente a saúde humana — poder administrar uma terapia exatamente quando e onde ela é necessária, e fazê-lo de forma coordenada em todo o corpo”, disse Abramson. “Com nosso novo sistema, agora é possível coordenar múltiplos sensores e atuadores em locais completamente distintos do corpo, o que representa um enorme avanço na busca por uma medicina bioeletrônica personalizada.”
Circuito foi testado com sucesso em ratos
Depois de testar o sistema Swans com tecidos de animais, os pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia partiram para o experimento em camundongos vivos. Eles colocaram sensores baseados em grafeno nas patas dianteiras dos roedores. Esses dispositivos detectavam alterações associadas ao movimento. A informação era enviada a uma placa eletrônica vestível, que interpretava o sinal e produzia um pulso elétrico específico.
O pulso, então, transmitido para dentro do organismo por pequenas agulhas metálicas. Um implante localizado na região da pata traseira recebia o sinal e acionava um circuito conectado a um estimulador do nervo ciático. Como resultado, o membro era movimentado.
O sistema foi capaz de diferenciar comandos para diferentes implantes. Os pesquisadores utilizaram transistores com características distintas para que os dispositivos respondessem a diferentes sinais. Em um conjunto de experimentos, dois equipamentos terapêuticos foram acionados de maneira independente por pulsos com diferentes amplitudes e durações.
O estudo não demonstra recuperação de movimento voluntário em animais paralisados. O que se comprovou foi a capacidade de um sensor externo detectar um evento e, por meio da rede, provocar uma resposta motora por estimulação nervosa, esclarece Alex Abramson, autor senior da pesquisa. Ele diz que há muitos desafios antes da aplicação clínica, incluindo a certeza de que o implante permanecerá no organismo sem causar danos e mantendo seu funcionamento ao longo do tempo.
Ele, porém, está otimista com as futuras aplicações do sistema. Nossa maior esperança é automatizar completamente a saúde humana — poder administrar uma terapia exatamente quando e onde ela é necessária, e fazê-lo de forma coordenada em todo o corpo”, disse Abramson. “Com nosso novo sistema, agora é possível coordenar múltiplos sensores e atuadores em locais completamente distintos do corpo, o que representa um enorme avanço na busca por uma medicina bioeletrônica personalizada.”
Palavra de especialista
Falta de opções de comunicação
A bioeletrônica transformou nossa capacidade de monitorar e tratar doenças; no entanto, a falta de opções de comunicação em escala micrométrica e com baixo consumo de energia limita a formação de redes integradas que permitam o controle fisiológico de todo o corpo, baseado em sensores. Inspirados pela capacidade do nosso sistema nervoso de transmitir informações por condução iônica, o Swans utiliza o próprio tecido do corpo para transmitir sinais entre dispositivos vestíveis e implantáveis. Quando o sistema emite sinais, ele gera gradientes de voltagem por todo o corpo que ativam seletivamente transistores implantados quando excedem suas tensões de limiar. Os componentes de comunicação implantáveis do Swans mantêm o tamanho ideal para injeção por seringa e apresentam eficiência energética 15 vezes maior do que Bluetooth e NFC. Além disso, estudos in vivo demostraram a capacidade de regular sem fio o controle motor de ambas as patas traseiras.
Aristide Gumyusenge, professor assistente de Ciências e Engenharia de Materiais do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT)
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Na ponta da agulha: sistema permite a criação de implantáveis ??pequenos o suficiente para serem implantados por meio de seringa Foto: Candler Hobbs, Instituto de Tecnologia da Geórgia/Divulgação -
Aristide Gumyusenge, professor Assistente de Ciência e Engenharia de Materiais, MIT Foto: MIT/Divulgação
Paloma Oliveto
Repórter sêniorFormada na Universidade de Brasília, é especializada na cobertura de ciência e saúde há mais de uma década. Entre as premiações recebidas, estão primeiro lugar no Grande Prêmio Ayrton Senna e menção honrosa no Prêmio Esso.