Realice una búsqueda de imágenes de «implantes electrónicos» y obtendrá una amplia variedad de dispositivos, desde marcapasos tradicionales e implantes cocleares hasta microchips cerebrales y retinales más futuristas destinados a aumentar 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 agravar los tejidos y causar cicatrices e inflamación que, a su vez, pueden degradar el rendimiento del implante.
Ahora, los ingenieros del MIT han desarrollado un material gelatinoso 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 flexibles y gomosos. El nuevo material, que es un tipo de hidrogel de polímero conductor de alto rendimiento, puede algún día reemplazar a los metales como electrodos funcionales a base de gel, con la apariencia de un tejido biológico.
«Este material funciona igual que los electrodos de metal, pero está hecho de geles que son similares a nuestros cuerpos y con un contenido de agua similar», dice Hyunwoo Yuk SM ’16 PhD ’21, cofundador de SanaHeal, una startup de dispositivos médicos. «Es como un tejido o nervio artificial».
«Creemos que, por primera vez, tenemos un electrodo resistente, 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 y de ingeniería civil y ambiental en el MIT.
Zhao, Yuk y otros en el MIT y en otros lugares informan sus resultados en Materiales de la naturaleza. Los coautores del estudio incluyen al primer autor y ex postdoctorado del MIT, Tao Zhou, quien 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 aislantes por naturaleza, lo que significa que la electricidad no pasa fácilmente a través de ellos. Pero existe una clase pequeña y especial de polímeros que, de hecho, 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 fue galardonado con el Premio Nobel de Química.
Recientemente, los investigadores, incluidos los del laboratorio de Zhao, han intentado usar polímeros conductores para fabricar electrodos suaves y sin metal para usar en implantes bioelectrónicos y otros dispositivos médicos. Estos esfuerzos han tenido como objetivo hacer películas y parches conductores de electricidad, suaves pero resistentes, principalmente mediante la mezcla de partículas de polímeros conductores con hidrogel, un tipo de polímero rico en agua, suave y esponjoso.
Los investigadores esperaban que la combinación de polímero conductor e hidrogel produjera un gel flexible, biocompatible y eléctricamente conductor. Pero los materiales fabricados hasta la fecha 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 mejora las propiedades eléctricas de un gel, debe sacrificar las propiedades mecánicas y viceversa. Pero en realidad, necesitamos ambas cosas: un material debe ser conductor, y también elástico y resistente. Ese fue el verdadero desafío y la razón por la cual la gente no pudo convertir 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 de una manera que mejorara las propiedades eléctricas y mecánicas de los respectivos ingredientes.
«La gente antes 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 manera que se repelan ligeramente, un estado conocido como separación de fases. En este estado ligeramente separado, cada ingrediente podría unir sus respectivos polímeros para formar hebras largas y microscópicas, al tiempo que se mezclan como un todo.
«Imagínese que estamos haciendo espaguetis eléctricos y mecánicos», ofrece 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 cocinar el gel espaguetizado 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.
«Debido a 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 tipo gelatina en el corazón, el nervio ciático y la médula espinal de ratas. 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 se mantuvieron estables en todo momento, 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 también enviar pequeños pulsos al nervio ciático y la médula espinal, que a su vez estimularon la actividad motora en los músculos y extremidades asociados.
En el futuro, Yuk prevé que una aplicación inmediata para el nuevo material puede ser para las personas que se recuperan de una cirugía cardíaca.
«Estos pacientes necesitan algunas semanas de soporte eléctrico para evitar un ataque al corazón como efecto secundario de la cirugía», dice Yuk. «Entonces, los médicos cosen un electrodo metálico 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 actualmente acepta».
El equipo está trabajando para extender la vida útil y el rendimiento del material. Luego, el gel podría usarse 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 como Jell-O para que sea más benigno pero de mejor rendimiento y pueda durar mucho tiempo», dice Zhao. «Esa es nuestra esperanza».
Esta investigación es apoyada, en parte, por los Institutos Nacionales de Salud.
