Las tecnologías de atención médica portátiles e implantables pueden permitir el monitoreo remoto y multimodal para diagnóstico y seguimiento de enfermedades, proporcionar terapias continuas programables para corazón or de retina enfermedades y incluso restaurar la sensación perdida a través de prótesis. Sin embargo, estas tecnologías están limitadas por la composición de sus materiales, ya que utilizan materiales de electrodos rígidos que tienen una compatibilidad mecánica limitada con los tejidos blandos y deben modelarse para inducir la capacidad de estiramiento, lo que limita la densidad del dispositivo.

Los polímeros conductores son intrínsecamente blandos y superan los problemas de compatibilidad con los tejidos. También se benefician de una gran capacitancia volumétrica que asegura grabación de señal de alta calidad e inyección de carga mejorada para la estimulación. A pesar de estas ventajas, los polímeros conductores no son intrínsecamente estirables, y las modificaciones químicas existentes utilizadas para inducir la estirabilidad dan como resultado conductividades que son demasiado bajas para aplicaciones bioelectrónicas relevantes.

Es por eso que los investigadores de Universidad de Stanford, dirigido por Zhenanbao, utilizó el diseño racional para construir un material altamente conductivo, estirable y fotomodelable para su uso en bioelectrónica, y publicó sus resultados en Ciencia:.

"Somos los primeros en aplicar este diseño de estructura supramolecular en el campo de los polímeros conductores estirables", explica YuanwenJiang, primer autor del estudio.

Ingeniería molecular para cumplir requisitos de diseño complejos

PEDOT:PSS, o poli(3,4-etilendioxitiofeno):sulfonato de poliestireno, es uno de los polímeros conductores más investigados y de mayor rendimiento para su uso en dispositivos bioelectrónicos. Los intentos anteriores de modificar las propiedades mecánicas de PEDOT:PSS se basaron en enfoques de mezcla con aditivos iónicos o moleculares. Pero debido a que no están reticulados con el polímero conductor, los aditivos generalmente se eliminan por lavado en ambientes biológicos húmedos, lo que provoca grandes caídas en la conductividad y el rendimiento del dispositivo.

"Es un gran desafío para un solo sistema de polímero conductor poseer simultáneamente una alta capacidad de estiramiento mecánico y conductividad eléctrica al mismo tiempo, especialmente cuando los microfabricamos hasta tamaños de características de nivel celular para aplicaciones de nivel de dispositivo real", dice Jiang.

Para enfrentar este desafío, Jiang y sus colegas tuvieron que diseñar un aditivo polimérico supramolecular para PEDOT:PSS molécula por molécula. Con la hipótesis de que la alta capacidad de estiramiento requería uniones móviles con una gran cantidad de arreglos posibles, diseñaron una estructura de polirotaxano (PR) con anillos de ciclodextrina que pueden "deslizarse" libremente a lo largo de la columna vertebral del polímero. Este es el primer trabajo que introduce la topología, o disposición espacial, en el diseño de polímeros conductores.

Habiendo logrado la capacidad de estiramiento, los investigadores diseñaron la química del polímero para cumplir con todos los requisitos de integración con PEDOT:PSS. Para permitir la solubilidad en agua y mejorar la interacción con el polímero conductor, utilizaron polietilenglicol como columna vertebral y cadena lateral. Para introducir la fotopatternabilidad, agregaron metacrilatos en las cadenas laterales, lo que permitió tamaños de características de 2 µm. Finalmente, señalan que este material multifuncional podría sobrevivir al tratamiento con ácido sulfúrico, lo que mejoró el empaquetamiento de la cadena y, por lo tanto, la conductividad general.

Este nuevo material, que el equipo llama TopoE-S, supera todas las modificaciones anteriores de PEDOT:PSS y logra una conductividad estable de 6000 S/cm, incluso con deformaciones de hasta el 100 %.

Superando a la competencia

El diseño de la interfaz bioelectrónica es fundamental para las aplicaciones en el cuerpo. “Queremos el mejor contacto posible en la interfaz, para que podamos tener la más alta calidad o relación señal-ruido en entornos dinámicos desafiantes”, dijo Jiang. El equipo lo ha logrado con el material TopoE-S.

En comparación con el oro microfisurado, uno de los mejores electrodos estirables, TopoE-S tenía una impedancia electroquímica más baja en todos los rangos de frecuencia. Esto se debe al área de contacto electroquímico mucho más grande de TopoE-S, que reduce significativamente la impedancia interfacial. Todas estas propiedades son esenciales para la estimulación eléctrica de baja potencia, señalan los investigadores.

La matriz TopoE-S se puede modelar en electrodos de 100 µm de tamaño, mientras que sus propiedades suaves y elásticas permiten una unión conformada a la piel. Por lo tanto, el equipo pudo fabricar dispositivos para realizar electromiografía de alta resolución espacial (medición de la actividad eléctrica del músculo).

Para demostrar las capacidades de este material avanzado, los investigadores recurrieron a los pulpos, que proporcionan una plataforma de prueba perfecta dada la gran deformación de sus músculos. Descubrieron que tras la estimulación eléctrica del brazo del pulpo, el dispositivo de electromiografía registraba la dinámica de la actividad muscular con una relación señal/ruido consistentemente buena, lo que era imposible con sondas más rígidas.

Nuevas aplicaciones de terapia médica

Mirando hacia el futuro, Jiang y sus colegas están pensando en nuevas herramientas que podrían mejorar la práctica clínica. “A través de la comunicación y la colaboración [con los médicos], entendemos que hay necesidades clínicas no cubiertas. Tratamos de diseñar herramientas que puedan ayudar a mejorar la atención”, explica.

El material TopoE-S está diseñado para resolver estas necesidades clínicas no cubiertas. Un ejemplo es la capacidad de mapear el tronco encefálico antes de la neurocirugía, para determinar puntos de entrada seguros para la operación. Actualmente, este procedimiento todavía se realiza con electrodos a granel que los médicos deben mover manualmente por la superficie, lo que prolonga en gran medida el tiempo del procedimiento.

Los investigadores modelaron el TopoE-S en una matriz de alta densidad y lo colocaron en el tronco encefálico de una rata, para permitir el mapeo de ubicación con una precisión extremadamente alta. Al enviar pulsos de corriente a electrodos individuales, podían controlar funciones de órganos específicos con poca corriente de fuga. Una vez más, su material superó a las sondas de plástico rígido que rápidamente causaron daños severos al frágil tronco encefálico.