Dispositivos “vestíveis” para células | Notícias do MIT #ÚltimasNotícias

Dispositivos vestíveis, como smartwatches e rastreadores de condicionamento físico, interagem com partes do nosso corpo para medir e aprender com processos internos, como frequência cardíaca ou estágios do sono.

Agora, os pesquisadores do MIT desenvolveram dispositivos vestíveis que podem executar funções semelhantes para células individuais dentro do corpo.

Esses dispositivos de tamanho subcelular, sem bateria, feitos de um polímero macio, são projetados para envolver suavemente diferentes partes dos neurônios, como axônios e dendritos, sem danificar as células, mediante atuação sem fio com luz. Ao envolver confortavelmente os processos neuronais, eles poderiam ser usados ​​para medir ou modular a atividade elétrica e metabólica de um neurônio em nível subcelular.

Como esses dispositivos são sem fio e flutuantes, os pesquisadores imaginam que um dia milhares de pequenos dispositivos poderão ser injetados e acionados de forma não invasiva usando luz. Os pesquisadores controlariam com precisão como os wearables envolvem suavemente as células, manipulando a dose de luz emitida de fora do corpo, que penetraria no tecido e acionaria os dispositivos.

Ao envolver axónios que transmitem impulsos eléctricos entre neurónios e para outras partes do corpo, estes wearables podem ajudar a restaurar alguma degradação neuronal que ocorre em doenças como a esclerose múltipla. No longo prazo, os dispositivos poderão ser integrados a outros materiais para criar pequenos circuitos que possam medir e modular células individuais.

“O conceito e a tecnologia de plataforma que apresentamos aqui são como uma pedra fundamental que traz imensas possibilidades para pesquisas futuras”, diz Deblina Sarkar, professora assistente de desenvolvimento de carreira da AT&T no MIT Media Lab e Centro de Engenharia Neurobiológica, chefe do Nano- Cybernetic Biotrek Lab e autor sênior de um artigo sobre esta técnica.

Sarkar é acompanhado no artigo pela autora principal Marta JI Airaghi Leccardi, uma ex-pós-doutorada do MIT que agora é Novartis Innovation Fellow; Benoît XE Desbiolles, pós-doutorado do MIT; Anna Y. Haddad ’23, que foi pesquisadora de graduação do MIT durante o trabalho; e os alunos de pós-graduação do MIT Baju C. Joy e Chen Song. A pesquisa aparece hoje em Química das Comunicações da Natureza.

Células embrulhadas confortavelmente

As células cerebrais têm formas complexas, o que torna extremamente difícil criar um implante bioeletrônico que possa se adaptar firmemente aos neurônios ou processos neuronais. Por exemplo, os axônios são estruturas delgadas em forma de cauda que se fixam ao corpo celular dos neurônios, e seu comprimento e curvatura variam amplamente.

Ao mesmo tempo, os axônios e outros componentes celulares são frágeis, portanto, qualquer dispositivo que faça interface com eles deve ser macio o suficiente para fazer um bom contato sem danificá-los.

Para superar estes desafios, os investigadores do MIT desenvolveram dispositivos de película fina a partir de um polímero macio chamado azobenzeno, que não danifica as células que envolvem.

Devido a uma transformação material, folhas finas de azobenzeno rolarão quando expostas à luz, permitindo-lhes envolver as células. Os pesquisadores podem controlar com precisão a direção e o diâmetro do rolamento, variando a intensidade e a polarização da luz, bem como o formato dos dispositivos.

Os filmes finos podem formar pequenos microtubos com diâmetros inferiores a um micrômetro. Isso permite que eles se envolvam suavemente, mas confortavelmente, em torno de axônios e dendritos altamente curvos.

“É possível controlar com muita precisão o diâmetro da laminação. Você pode parar se quiser, ao atingir uma dimensão específica, ajustando a energia da luz de acordo”, explica Sarkar.

Os pesquisadores experimentaram diversas técnicas de fabricação para encontrar um processo que fosse escalonável e não exigisse o uso de uma sala limpa de semicondutores.

Fazendo wearables microscópicos

Eles começam depositando uma gota de azobenzeno em uma camada sacrificial composta por um material solúvel em água. Em seguida, os pesquisadores pressionam um carimbo na gota de polímero para moldar milhares de minúsculos dispositivos no topo da camada sacrificial. A técnica de estampagem permite criar estruturas complexas, desde retângulos até formas de flores.

Uma etapa de cozimento garante que todos os solventes sejam evaporados e, em seguida, eles usam a gravação para raspar qualquer material que permaneça entre os dispositivos individuais. Finalmente, dissolvem a camada sacrificial em água, deixando milhares de dispositivos microscópicos flutuando livremente no líquido.

Assim que obtiveram uma solução com dispositivos flutuantes, eles acionaram os dispositivos sem fio com luz para induzi-los a rolar. Eles descobriram que estruturas flutuantes podem manter suas formas por dias após a iluminação parar.

Os pesquisadores conduziram uma série de experimentos para garantir que todo o método fosse biocompatível.

Depois de aperfeiçoar o uso da luz para controlar o rolamento, eles testaram os dispositivos em neurônios de ratos e descobriram que podiam envolver até mesmo axônios e dendritos altamente curvos sem causar danos.

“Para ter interfaces íntimas com essas células, os dispositivos devem ser macios e capazes de se adaptar a essas estruturas complexas. Esse é o desafio que resolvemos neste trabalho. Fomos os primeiros a mostrar que o azobenzeno pode até envolver células vivas”, diz ela.

Um dos maiores desafios que enfrentaram foi o desenvolvimento de um processo de fabricação escalável que pudesse ser realizado fora de uma sala limpa. Eles também repetiram a espessura ideal para os dispositivos, já que torná-los muito grossos causa rachaduras ao rolarem.

Como o azobenzeno é um isolante, uma aplicação direta é usar os dispositivos como mielina sintética para axônios que foram danificados. A mielina é uma camada isolante que envolve os axônios e permite que os impulsos elétricos viajem com eficiência entre os neurônios.

Em doenças não mielinizantes, como a esclerose múltipla, os neurônios perdem algumas folhas isolantes de mielina. Não existe uma maneira biológica de regenerá-los. Ao agirem como mielina sintética, os wearables podem ajudar a restaurar a função neuronal em pacientes com esclerose múltipla.

Os pesquisadores também demonstraram como os dispositivos podem ser combinados com materiais optoelétricos que podem estimular as células. Além disso, materiais atomicamente finos podem ser padronizados na parte superior dos dispositivos, que ainda podem rolar para formar microtubos sem quebrar. Isto abre oportunidades para integração de sensores e circuitos nos dispositivos.

Além disso, por estabelecerem uma ligação tão estreita com as células, seria possível utilizar muito pouca energia para estimular regiões subcelulares. Isto poderia permitir que um pesquisador ou médico modulasse a atividade elétrica dos neurônios para o tratamento de doenças cerebrais.

“É emocionante demonstrar esta simbiose de um dispositivo artificial com uma célula numa resolução sem precedentes. Mostrámos que esta tecnologia é possível”, afirma Sarkar.

Além de explorar essas aplicações, os pesquisadores querem tentar funcionalizar as superfícies dos dispositivos com moléculas que lhes permitam atingir tipos específicos de células ou regiões subcelulares.

“Este trabalho é um passo emocionante em direção a novas interfaces neurais simbióticas que atuam no nível dos axônios e sinapses individuais. Quando integradas com nanomateriais condutores em nanoescala 1 e 2D, essas folhas de azobenzeno responsivas à luz poderiam se tornar uma plataforma versátil para detectar e fornecer diferentes tipos de sinais (ou seja, elétricos, ópticos, térmicos, etc.) para neurônios e outros tipos de células em de maneira minimamente ou não invasiva. Embora preliminares, os dados de citocompatibilidade relatados neste trabalho também são muito promissores para uso futuro in vivo”, diz Flavia Vitale, professora associada de neurologia, bioengenharia e medicina física e reabilitação na Universidade da Pensilvânia, que não esteve envolvida neste trabalho.

A pesquisa foi apoiada pela Swiss National Science Foundation e pela US National Institutes of Health Brain Initiative.