Sensores cerebrais macios impressos em 3D ajustam-se melhor às dobras do cérebro

Um novo estudo concluiu que sensores cerebrais macios impressos em 3D conseguem acompanhar com maior fidelidade as dobras individuais do cérebro do que os dispositivos rígidos tradicionais.

Nos primeiros testes, esse encaixe mais próximo manteve leituras eléctricas mais fortes em ratos e, ao mesmo tempo, deixou o tecido cerebral adjacente praticamente sem alterações.

As dobras criavam folgas

Em 21 exames reconstruídos de cérebros humanos, a superfície exterior apresentava saliências e sulcos que nunca coincidiam exactamente entre pessoas.

Ao relacionar essas formas com desenhos de sensores feitos à medida, o Dr. Tao Zhou, da Universidade Estatal da Pensilvânia (PSU), mostrou por que razão os dispositivos planos podem perder contacto.

O mesmo padrão repetiu-se em todos os modelos: um sensor concebido para um cérebro não assentava noutro com a mesma precisão.

Essa falta de correspondência é o cerne do problema, porque um melhor contacto só é útil se o dispositivo conseguir adaptar-se com segurança a um tecido tão delicado.

Porque é que o encaixe é importante

Os médicos já recorrem à electrocorticografia, um método de registo na superfície do cérebro, quando precisam de sinais que os sensores no couro cabeludo não conseguem captar.

Os contactos dos eléctrodos - pequenas áreas que detectam actividade eléctrica - pousam sobre a camada mais externa do cérebro, enquanto as células nervosas disparam em conjunto.

Quando o contacto é fraco, surge mais ruído, e o software tem de trabalhar mais para separar a actividade útil de canais desfocados ou em falta.

Para pessoas com epilepsia, perturbações do movimento ou futuras necessidades de controlo protésico, um sinal de superfície mais nítido pode diminuir a incerteza clínica.

A maciez muda o contacto nos sensores cerebrais macios impressos em 3D

Em vez de depender de pressão para “forçar” o assentamento, o novo dispositivo recorreu a hidrogel, um material rico em água que se dobra com o tecido vivo.

Um padrão aberto em favo de mel reduziu o volume do conjunto, permitindo que o sensor flexionasse sem rasgar nem perder o caminho de condução da corrente.

“A estrutura em favo de mel ajuda-nos a reduzir significativamente a rigidez dos eléctrodos, sem sacrificar a sua resistência mecânica”, afirmou Zhou.

Esta opção de desenho é relevante porque o tecido cerebral pode deformar-se sob pressão, e pequenas distorções podem afectar tanto a segurança como a qualidade do sinal.

Impressão de cada padrão

Depois de preparados os mapas cerebrais, o software converteu a superfície escolhida num trajecto de eléctrodos personalizado.

A equipa usou escrita directa de tinta, uma técnica de impressão 3D que deposita materiais semelhantes a tinta, para construir três camadas empilhadas.

Uma camada macia de isolamento preservou a forma, enquanto uma camada de gel condutor transportou os sinais eléctricos do tecido até ao equipamento de registo.

Como a impressão elimina várias etapas de fabrico especializadas, esta abordagem pode tornar a personalização mais rápida do que a produção tradicional do tipo chip.

Testes em modelos

Com dados abertos de imagiologia cerebral de voluntários, os investigadores reconstruíram, em formato digital, superfícies cerebrais individuais para apoiar o desenho.

Criaram cinco sensores impressos para cinco modelos diferentes e verificaram, depois, se cada desenho assentava sobre as dobras correspondentes.

Nas simulações, o sensor em favo de mel apresentou, em média, folgas de 0.10 polegadas (≈0,25 cm), face a 0.16 (≈0,41 cm) e 0.21 polegadas (≈0,53 cm) em dois controlos mais rígidos.

Com um contacto mais próximo, praticamente todos os locais de eléctrodos ficaram com ligação utilizável, reduzindo as áreas perdidas que apareciam nos layouts mais rígidos.

Os sinais mantiveram-se mais nítidos

Os testes eléctricos seguintes avaliaram se a opção macia implicava perda de eficiência na transferência do sinal.

Uma hidrogel de polímero condutor - um gel capaz de transportar iões e electrões - formou a camada interna responsável por conduzir o sinal.

Essa camada manteve a impedância, isto é, a resistência na fronteira tecido-eléctrodo, abaixo de 10 kΩ nas frequências testadas.

O gel também reteve e forneceu mais carga eléctrica, o que apoia a utilização do sensor para registo e para uma futura estimulação.

Durabilidade testada em ratos

Os ensaios em animais levaram o sensor dos modelos para cérebros vivos, onde o movimento e a cicatrização podem expor fragilidades mecânicas.

Em ratos acordados, o dispositivo impresso registou respostas cerebrais a flashes breves de luz ao longo de 420 ensaios, enquanto conjuntos padrão de eléctrodos registaram 433.

Os locais de registo na periferia apresentaram uma relação sinal-ruído significativamente mais elevada - a quantidade de sinal útil face à actividade de fundo - do que os eléctrodos convencionais.

Nos locais centrais, a melhoria foi menor, indicando que o encaixe é especialmente determinante onde o tecido curvo costuma afastar os dispositivos.

A resposta do tecido manteve-se ligeira

Os testes de segurança procuraram sinais de lesão ao fim de 28 dias, e não apenas registos fortes num ensaio curto.

As imagens do cérebro não revelaram distorção relevante em torno do dispositivo, e o desenho aberto não bloqueou a circulação do líquido cerebral nas proximidades.

Em cortes de tecido, não se observou acumulação de cicatriz de colagénio, e os sinais de células imunitárias pareceram semelhantes entre zonas implantadas e regiões não tocadas.

Estes dados não demonstram segurança a longo prazo em humanos, mas reduzem uma preocupação importante para futuros implantes.

As limitações continuam a contar

Estudos de pequena escala em animais não resolvem como um dispositivo cirúrgico para humanos se comportaria em doentes durante muitos anos.

Como os testes recorreram a ratos, modelos cerebrais impressos e simulações, ensaios em humanos teriam de avaliar durabilidade, esterilização e remoção.

Os reguladores também terão de decidir se a impressão personalizada consegue garantir qualidade idêntica quando cada doente recebe uma forma diferente.

A exigência é elevada, mas acompanha a promessa médica de dispositivos feitos para um cérebro de cada vez.

Rumo a uma neurologia personalizada

Este avanço liga forma cerebral, materiais macios, impressão e testes de sinal num processo prático que vai do exame ao sensor.

O próximo desafio será verificar se eléctrodos personalizados conseguem melhorar o diagnóstico ou a terapêutica sem acrescentar novos riscos cirúrgicos.