Implanturi electronice ieftine

O nouă tehnologie, în curs de dezvoltare la Ohio State University, deschide calea pentru producerea de dispozitive electronice ieftine care lucrează în contact cu ţesuturile vii din interiorul corpului. Prima utilizare planificată a acesteia va fi în domeniul transplanturilor.

Un senzor care va detecta încă din fazele timpurii procesul de respingere a transplantului de organe de către organism.

Paul Berger, profesor de inginerie electrică, fizică şi calculatoare la Ohio State University, a explicat că un obstacol în calea dezvoltării de senzori implantabili este acela că cele mai multe dispozitive electronice existente sunt bazate pe siliciu, electroliţii din organism interferând cu semnalele electrice din circuitele pe bază de siliciu. Altele, cum ar fi semiconductorii, ar putea să nu funcţioneze în organism, ele fiind şi mult mai scumpe şi mai greu de fabricat.

Un circuit pe bază de siliciu, acoperit cu un strat protector şi scufundat într-un lichid care imită chimia corpului uman. Cercetătorii de la The Ohio State University dezvoltă dispozitive electronice având costuri reduse de producţie care funcţionează în contact direct cu ţesuturile vii din interiorul corpului.
Credit: Ohio State University

„Siliciul este relativ ieftin... El nu este toxic", a spus Berger. „Ceea ce ne dorim este să putem crea o punte între electronicele accesibile, bazate pe siliciu, pe care ştim deja cum să le construim şi sistemele electrochimice ale corpului uman".

Într-o lucrare publicată în revista Electronics Letters, Berger şi colegii lui descriu o nouă tehnică, aflată în curs de brevetare, care se spera că va rezolva problemele de adaptare a noilor dispozitive electronice la organismul uman.

În testele efectuate, circuitele de siliciu care au fost protejate prin noua tehnologie au continuat să funcţioneze chiar şi după 24 de ore de la imersia lor într-o soluţie care imita chimia corpului uman.

Proiectul a început atunci când Berger s-a adresat cercetătorilor din Department of Biomedical Engineering al statului Ohio care doreau să construiască un senzor implantabil pentru detecţia proteinelor care indică primele semne de respingere a organelor transplantate în organism. Ei s-au străduit să creeze un senzor funcţional pentru detecţia proteinelor din nitrura de galiu.

„Avem deja senzori care ar putea face o treabă bună pentru detectarea acestor proteine, dar aceştia sunt realizaţi din siliciu. Aşa că am întrebat dacă am putea realiza o acoperire de protecţie care ar putea proteja circuitele pe bază de siliciu şi le-ar permite să funcţioneze în timp ce sunt atinse, în mod direct direct, de sânge, fluide corporale sau ţesut viu", a spus Berger.

În organism, electroliţii, cum ar fi cei de potasiu şi de sodiu, controlează nervii, muşchii şi menţin hidratarea acestuia. Ei fac acest lucru prin deplasarea unei sarcini electrice, pozitivă sau negativă, care stimulează reacţii chimice importante. Dar aceleaşi sarcini electrice fac electroliţii atractivi pentru siliciu deoarece acesta le capturează cu uşurinţă. Odată ajunşi în interior, sarcinile electrice modifică comportamentul electronic al siliciului astfel încât datele furnizate de un asemenea senzor nu pot fi de încredere.

În studiu, echipa condusă de Berger a testat dacă electroliţii ar putea fi împiedecaţi să intre în siliciu prin intermediul unui strat protector de oxid de aluminiu.

Cercetătorii au scufundat senzori de test, protejaţi, într-un fluid timp de 24 de ore, i-au scos din soluţie şi apoi au aplicat o tensiune electrică asupra lor pentru a vedea dacă aceştia mai funcţionează în mod corespunzător. Testele au arătat că stratul protector de oxid a blocat efectiv electroliţii din soluţie astfel încât senzorii au rămas pe deplin funcţionali.

Odată dezvoltat, un asemenea dispozitiv, folosind această tehnologie, ar putea detecta anumite proteine produse de organism atunci când procesul de respingere a unui organ transplantat este doar într-o fază incipientă. Medicii ar putea introduce un ac în corpul pacientului, în apropierea organului implantat. Senzorii de siliciu de pe ac detectează proteinele iar medicii ar şti cum să adapteze pacientului doza de medicamente anti-respingere pe baza datelor furnizate de aceştia.

Lucrarea reprezintă un prim pas către procesul de producţie a dispozitivelor care ar putea fi implantate în organism pe termen lung, a declarat Berger.

Deşi studiul actual descrie un senzor de siliciu protejat cu un strat de oxid de aluminiu, el prevede că alte dispozitive ar putea utiliza acoperiri realizate din alte materiale, cum ar fi cele pe bază de titan. Aceste acoperiri ar putea chiar fi adaptate pentru a creşte performanţele senzorilor sau a altor aparate biomedicale.

În special, Berger prevede o utilizare în viitor a semiconductorilor polimerici (organici), protejaţi, care pot fi utilizaţi în diverse aplicaţii, nu doar pentru detecţia unor substanţe chimice din organism. El bănuieşte că astfel de semiconductori ar putea înlocui nervii din organism care au fost afectaţi de boală sau în urma unor accidente.

„Am putea înlocui un nerv deteriorat cu un neuron artificial şi am putea astfel reface imediat funcţia afectată şi aceasta este o posibilitate foarte interesantă", a spus el.

Echipa condusă de Berger lucrează cu cercetătorii de la The Ohio State University, Tom Rosol, profesor de bioştiinţe veterinare şi Phillip Popovici, profesor neurolog, pentru a verifica această posibilitate.