Los ingenieros del MIT han creado un hidrogel de polímero conductor suave que puede servir como un electrodo implantable biocompatible libre de metales. El material, que puede convertirse en tinta imprimible, podría usarse en una variedad de aplicaciones médicas, como marcapasos y estimuladores cerebrales profundos. Se ha mostrado prometedor en pruebas preliminares con animales para mantener la estabilidad y transmitir pulsos eléctricos de manera efectiva, con menos inflamación y cicatrización en comparación con los electrodos metálicos tradicionales.
Un nuevo material similar a la gelatina podría reemplazar a los metales como interfaces eléctricas para marcapasos, implantes cocleares y otros implantes electrónicos.
Realice una búsqueda de imágenes de «implantes electrónicos» y encontrará una amplia variedad de dispositivos, desde marcapasos e implantes cocleares tradicionales hasta microchips cerebrales y retinales más futuristas diseñados para mejorar la visión, tratar la depresión y restaurar la movilidad.
Algunos implantes son duros y voluminosos, mientras que otros son flexibles y delgados. Pero independientemente de su forma y función, casi todos los implantes incorporan electrodos, pequeños elementos conductores que se adhieren directamente a los tejidos objetivo para estimular eléctricamente los músculos y los nervios.
Los electrodos implantables están hechos predominantemente de metales rígidos que son eléctricamente conductores por naturaleza. Pero con el tiempo, los metales pueden dañar los tejidos y causar cicatrices e inflamación, lo que a su vez puede degradar el rendimiento del implante.
Ahora, los ingenieros del MIT han desarrollado un material similar a la gelatina sin metales que es tan suave y resistente como el tejido biológico y puede conducir la electricidad de manera similar a los metales convencionales. El material se puede convertir en una tinta imprimible, que los investigadores modelaron en electrodos de goma flexibles. El nuevo material, que es un tipo de hidrogel de polímero conductor de alto rendimiento, algún día podría reemplazar a los metales como electrodos funcionales a base de gel con la apariencia de tejido biológico.
Los ingenieros del MIT han desarrollado un material similar a la gelatina, libre de metales, que es tan suave y resistente como el tejido biológico y puede conducir la electricidad de manera similar a los metales convencionales. El nuevo material, que es un tipo de hidrogel de polímero conductor de alto rendimiento, algún día podría reemplazar los metales en los electrodos de los dispositivos médicos. Crédito: Felice Frankel
“Este material funciona de la misma manera que los electrodos de metal, pero está hecho de geles similares a nuestros cuerpos y con un contenido de agua similar”, dice Hyunwoo Yuk SM ’16 PhD ’21, cofundador de SanaHeal, una empresa emergente de dispositivos médicos. «Es como un tejido o nervio artificial».
«Creemos que, por primera vez, tenemos un electrodo resistente y robusto similar a la gelatina que potencialmente puede reemplazar al metal para estimular los nervios e interactuar con el corazón, el cerebro y otros órganos del cuerpo», agrega Xuanhe Zhao, profesor de ingeniería. .mecánica e ingeniería civil y ambiental en el MIT.
Zhao, Yuk y otros en el MIT y en otros lugares informan sus resultados en Nature Materials. Los coautores del estudio incluyen al primer autor y ex becario postdoctoral del MIT, Tao Zhou, que ahora es profesor asistente en la Universidad Estatal de Pensilvania, y colegas de la Universidad Normal de Ciencia y Tecnología de Jiangxi y la Universidad Jiao Tong de Shanghai.
un verdadero desafío
La gran mayoría de los polímeros son de naturaleza aislante, lo que significa que la electricidad no pasa fácilmente a través de ellos. Pero hay una clase pequeña y especial de polímeros que en realidad pueden pasar electrones a través de su masa. Se demostró por primera vez que algunos polímeros conductores exhibían una alta conductividad eléctrica en la década de 1970, trabajo que más tarde ganó el Premio Nobel de Química.
Recientemente, los investigadores, incluidos los del laboratorio de Zhao, intentaron usar polímeros conductores para fabricar electrodos suaves y sin metal para usar en implantes bioelectrónicos y otros dispositivos médicos. Estos esfuerzos tienen como objetivo hacer películas y adhesivos conductores de electricidad suaves pero resistentes, principalmente mediante la mezcla de partículas de polímero conductor con un hidrogel, un tipo de polímero suave y esponjoso rico en agua.
Los investigadores esperaban que la combinación de polímero conductor e hidrogel produjera un gel flexible, biocompatible y eléctricamente conductor. Pero los materiales fabricados hasta ahora eran demasiado débiles y quebradizos o presentaban un rendimiento eléctrico deficiente.
“En los materiales de gel, las propiedades eléctricas y mecánicas siempre luchan entre sí”, dice Yuk. “Si mejoras las propiedades eléctricas de un gel, tienes que sacrificar las propiedades mecánicas y viceversa. Pero en realidad, necesitamos ambos: un material debe ser conductor además de elástico y robusto. Ese fue el verdadero desafío y la razón por la cual las personas no pudieron convertir los polímeros conductores en dispositivos confiables hechos completamente de gel».
espaguetis eléctricos
En su nuevo estudio, Yuk y sus colegas descubrieron que necesitaban una nueva receta para mezclar polímeros conductores con hidrogeles para mejorar las propiedades eléctricas y mecánicas de los respectivos ingredientes.
“Anteriormente, la gente confiaba en la mezcla aleatoria y homogénea de los dos materiales”, dice Yuk.
Tales mezclas produjeron geles hechos de partículas poliméricas dispersas al azar. El grupo se dio cuenta de que para preservar las fuerzas eléctricas y mecánicas del polímero conductor y el hidrogel, respectivamente, ambos ingredientes deben mezclarse de tal manera que se repelan ligeramente entre sí, un estado conocido como separación de fases. En este estado ligeramente separado, cada ingrediente podría unirse a sus respectivos polímeros para formar hebras largas y microscópicas, al mismo tiempo que se mezclan como un todo.
“Imagínese que estamos haciendo espaguetis eléctricos y mecánicos”, sugiere Zhao. “El espagueti eléctrico es el polímero conductor, que ahora puede transmitir electricidad a través del material porque es continuo. Y el espagueti mecánico es el hidrogel, que puede transmitir fuerzas mecánicas y ser resistente y elástico porque también es continuo”.
Luego, los investigadores modificaron la receta para convertir el gel de espagueti en una tinta, que alimentaron a través de una impresora 3D e imprimieron en películas de hidrogel puro, en patrones similares a los electrodos metálicos convencionales.
«Dado que este gel es imprimible en 3D, podemos personalizar geometrías y formas, lo que facilita la fabricación de interfaces eléctricas para todo tipo de órganos», dice el primer autor Zhou.
Luego, los investigadores implantaron los electrodos impresos similares a la gelatina en los corazones, los nervios ciáticos y la médula espinal de los ratones. El equipo probó el rendimiento eléctrico y mecánico de los electrodos en los animales durante un máximo de dos meses y descubrió que los dispositivos permanecían estables, con poca inflamación o cicatrización en los tejidos circundantes. Los electrodos también pudieron transmitir pulsos eléctricos desde el corazón a un monitor externo, así como enviar pequeños pulsos al nervio ciático y la médula espinal, que a su vez estimularon la actividad motora en los músculos y las extremidades asociadas.
En el futuro, Yuk prevé una aplicación inmediata del nuevo material para personas que se recuperan de una cirugía cardíaca.
“Estos pacientes necesitan algunas semanas de soporte eléctrico para evitar un infarto como efecto secundario de la cirugía”, dice Yuk. “Luego, los médicos cosen un electrodo de metal en la superficie del corazón y lo estimulan durante semanas. Podemos reemplazar esos electrodos metálicos con nuestro gel para minimizar las complicaciones y los efectos secundarios que la gente acepta actualmente”.
El equipo está trabajando para extender la vida útil y el rendimiento del material. Luego, el gel se puede usar como una interfaz eléctrica suave entre órganos e implantes a largo plazo, incluidos marcapasos y estimuladores cerebrales profundos.
“El objetivo de nuestro grupo es reemplazar el vidrio, la cerámica y el metal dentro del cuerpo con algo parecido a la gelatina, para que sea más benigno pero funcione mejor y pueda durar mucho tiempo”, dice Zhao. “Esa es nuestra esperanza”.
Referencia: «Hidrogel de polímero conductor de alto rendimiento imprimible en 3D para interfaces de hidrogel completamente bioelectrónicas» 15 de junio de 2023, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-023-01569-2
Esta investigación es apoyada, en parte, por los Institutos Nacionales de Salud.
