Nervos específicos podem ser estimulados artificialmente, por exemplo, para tratar a dor. Quanto mais finos forem os nervos, mais difícil é colocar os eléctrodos necessários. Os investigadores da Universidade Técnica de Munique (TUM) e da NTT Research desenvolveram eléctrodos flexíveis produzidos com tecnologia de impressão 4D. Em contacto com a humidade, dobram-se automaticamente e enrolam-se à volta de nervos finos.
O sistema nervoso controla os nossos movimentos através de impulsos eléctricos. Estes passam de célula nervosa para célula nervosa até que finalmente, por exemplo, uma contração muscular é desencadeada. As células nervosas também podem ser estimuladas artificialmente, desencadeando os nervos com impulsos de corrente através de eléctrodos aplicados ou implantados de forma aguda. A estimulação dos nervos periféricos é utilizada, por exemplo, para tratar a dor crónica ou a apneia do sono. Além disso, existem aplicações clínicas para a estimulação do nervo vago no tratamento da depressão e da epilepsia. Com um diâmetro de vários milímetros, este nervo é relativamente espesso.
Em comparação, a estimulação de nervos com diâmetros que variam de dezenas a centenas de micrómetros é mais difícil. Estes nervos finos como cabelos requerem eléctrodos produzidos com finura e precisão. A inserção e fixação do elétrodo nos nervos na gama dos micrómetros também é mais complicada.
A impressão 4D abre a porta a novas formas
A impressão 4D envolve a remodelação de objetos impressos em 3D de maneira direcionada, por exemplo, usando umidade ou calor. Os investigadores da Universidade Técnica de Munique e do Medical & Health Informatics (MEI) Lab da NTT Research desenvolveram eléctrodos impressos em 4D que se enrolam em torno de fibras nervosas ultra-finas quando inseridas em tecido húmido. O elétrodo é inicialmente fabricado utilizando tecnologia de impressão 3D, permitindo uma adaptação flexível da forma, do diâmetro e de outras características.
A bainha exterior do elétrodo é composta por um hidrogel biocompatível que incha em contacto com a humidade. O material no interior é flexível mas não incha. Esta configuração faz com que os eléctrodos se envolvam automaticamente à volta das fibras nervosas quando expostos à humidade do tecido.
O revestimento estruturado de titânio e ouro no interior dos eléctrodos transmite sinais eléctricos entre os eléctrodos e as fibras nervosas. “O contacto estreito entre as braçadeiras dobradas e os nervos permite-nos estimular os nervos e medir os sinais nervosos com os eléctrodos”, afirma Bernhard Wolfrum, Professor de Neuroelectrónica no Instituto de Engenharia Biomédica de Munique (MIBE) da TUM e responsável pelo estudo. Isto alarga o leque de possibilidades de aplicações potenciais.
Melhor seletividade na estimulação
No futuro, é possível conceber uma variedade de aplicações biomédicas para os novos eléctrodos. Um exemplo é a melhoria dos implantes para a apneia do sono. Nos doentes que sofrem de apneia do sono, a língua desce para trás em direção à garganta e obstrui brevemente as vias respiratórias. A estimulação dos músculos que puxam a língua para a frente pode corrigir o problema. “Atualmente, porém, é difícil estimular seletivamente apenas os músculos que movem a língua para a frente. É aqui que os eléctrodos flexíveis podem ser aplicados para facilitar a estimulação dos nervos de forma mais selectiva no futuro”, afirma o Professor Clemens Heiser, médico sénior do Departamento de Otorrinolaringologia do Hospital Universitário TUM Klinikum rechts der Isar.
Os eléctrodos auto-dobráveis são robustos e fáceis de manusear. A equipa de investigação já demonstrou a aplicação dos eléctrodos em gafanhotos: fibras nervosas finas com um diâmetro de 100 micrómetros foram revestidas sem danificar os nervos. Isto permitiu aos cientistas estimular os músculos de uma forma muito direccionada. Embora ainda numa fase inicial de desenvolvimento, os eléctrodos podem constituir um meio importante para a utilização da estimulação dos nervos periféricos para uma aplicação clínica mais vasta no futuro.
Publicação
Lukas Hiendlmeier, Francisco Zurita, Jonas Vogel, Fulvia Del Duca, George Al Boustani, Hu Peng, Inola Kopic, Marta Nikić, Tetsuhiko F. Teshima, Bernhard Wolfrum: 4D-Printed Soft and Stretchable Self-Folding Cuff Electrodes for Small-Nerve Interfacing, Advanced Materials (2023), DOI: doi.org/10.1002/adma.202210206