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2 de dezembro de 2016

Bioeletrônica: quando a eletrônica orgânica encontra a biologia

As semelhanças estruturais entre semicondutores orgânicos e compostos biológicos sugere o uso desses materiais em aplicações biomédicas. Como consequência uma nova área multidisciplinar está nascendo: a bioeletrônica.

Apesar dos blocos de construção de sistemas biológicos serem substancialmente diferentes daqueles utilizados em sistemas eletrônicos, a pesquisa de ponta em interfaces cérebro/máquina, nanomedicina e robótica aponta para uma profunda interação da tecnologia com a natureza. Essa integração entre seres vivos e tecnologia depende da habilidade de realizar traduções eficientes entre sinais elétricos e biológicos. O sucesso deste campo depende dos esforços conjuntos de biólogos, químicos, físicos e engenheiros que, juntos, podem discutir e criar interfaces entre dispositivos artificiais e sistemas vivos. Apesar dos recentes avanços nesta área multidiscilpinar, a principal barreira para o avanço da bioeletrônica é a falta de uma linguagem comum entre diferentes áreas do conhecimento.

Semicondutores inorgânicos e óxidos desempenham um papel importante nas interfaces entre sistemas vivos e dispositivos eletrônicos. Para a criação de peles artificiais que imitam a sensibilidade do tato humano, já foi proposta a utilização de nanofios de óxido de zinco – que têm a capacidade de gerar uma diferença de tensão quando dobrados, e por isso podem ser utilizados como sensores de pressão. Os dispositivos à base de silício já foram utilizados em implantes de retina por pesquisadores da Universidade de Stanford, EUA. Eles demonstraram uma prótese sub-retiniana fotovoltaica na qual fotodiodos de silício recebem energia e dados através de iluminação pulsada no infravermelho próximo e, consequentemente, estimulam elétricamente os neurônios das camadas mais internas da retina. Sensores neurais revestidos com carbeto de silício amorfo também já foram relatados.

Materiais para bioeletrônica

Um dos polímeros conjugados mais utilizados na bioeletrônica é o Poli(3,4-etilendioxitiofeno) dopado com Poliestireno Sulfonado PEDOT:PSS. Além de apresentar boa mobilidade de íons e elétrons, este polímero também é um excelente revestimento para eletrodos metálicos, como mostraram pesquisadores da Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrália. Segundo o estudo, a modificação de eletrodos metálicos com revestimentos PEDOT:PSS pode melhorar a interface entre o tecido neural e o eletrodo, aumentando o tempo de vida destes implantes. Os resultados mostraram aumento na integração com o tecido, assim como aumento na área de superfície do eletrodo, permitindo a entrega de sinais de bioativos para as células neurais.

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O poli(3,4-etilenodioxitiofeno) dopado com poliestireno sulfonado (PEDOT:PSS) apresenta boa mobilidade de íons e elétrons e é um dos polímeros conjugados mais utilizados em bioeletrônica.

O grafeno também já foi proposto para engenharia de tecidos como um material de enchimento em compósitos poliméricos. Entre os outros materiais estudados para a bioeletrônica estão os materiais bioderivados – tal como o DNA, peptídeos e copolímeros à base de açúcares já identificados como semicondutores naturais. Também existe a possibilidade de utilizar nanofios biológicos derivados de bactérias anaeróbicas como material condutor. No campo de eletrônica comestível, há a necessidade de utilizar materiais condutores que degradem rapidamente no corpo. Nesta área a atenção volta-se para o desenvolvimento de baterias comestíveis fabricadas a partir de pigmentos de melanina. Isso permitiria o desenvolvimento de pílulas inteligentes, que podem fornecer um monitoramento versátil, não invasivo e digerível.

Orgânicos vs Inorgânicos

Quando se pretende criar interfaces entre dispositivos eletrônicos e seres vivos, a observação fundamental é que os semicondutores inorgânicos são estruturalmente diferentes de compostos biológicos. Isto cria uma barreira em termos de biocompatibilidade e abrangência de aplicações. Por isso, as publicações sobre semicondutores orgânicos têm ganhado cada vez mais relevância quando se trata de aplicações em bioeletrônica.

Os semicondutores orgânicos apresentam várias semelhanças com proteínas, carboidratos e ácidos nucleicos. Do ponto de vista estrutural, semicondutores orgânicos podem ser biocompatíveis, biodegradáveis, macios e adaptáveis. Em relação às suas funcionalidades, eles podem suportar transporte eletrônico e iônico e ser facilmente modificados para permitir sondagem e detecção.

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Polímeros e moléculas orgânicas (fitais azuis) têm semelhança estrutural e funcional com macromoléculas biológicas essenciais para a vida, como proteínas, ácidos nucleicos e carboidratos.

Materiais orgânicos capazes de conduzir íons são uma escolha óbvia quando se trata de construir interfaces com neurônios, pois a comunicação elétrica entre estas células ocorre por meio do fluxo controlado de moléculas iônicas em líquidos. Pesquisadores da Escola Nacional Superior “des Mines de Saint-Etienne“, França, mostraram que transistores orgânicos eletroquímicos são capazes de realizar a transdução eficiente entre sinais iônicos e eletrônicos. Em tais dispositivos, o canal do transistor fica diretamente exposto a um meio líquido. A corrente que flui entre o gate e a fonte é modulada diretamente por variações de concentrações iônicas neste líquido devido à atividade neural. Este transistor é capaz de amplificar fortemente o sinal proveniente dos neurônios, resultando assim numa melhoria da relação sinal/ruído quando comparado com os transdutores passivos. Numa configuração alternativa do dispositivo, filmes finos orgânicos podem ser utilizados para converter sinais luminosos em estímulos elétricos para células neuronais com elevadas especificidade biológica e resolução espacial. Como consequência direta destes estudos, uma retina artificial totalmente orgânica e flexível, capaz de substituir a função de células fotorreceptoras, está sendo testada em animais.

Circuitos eletrônicos orgânicos flexíveis e adaptáveis que podem ser enrolados em torno de tecidos biológicos podem fornecer uma nova ferramenta para a medicina. Eles podem ser utilizados para diagnósticos locais, assim como na a liberação controlada de medicamentos e na regeneração de tecidos.

As publicações de artigos em periódicos e congressos mostram claramente que há um aumento do interesse dos cientistas em contribuir para a compreensão dos mecanismos biológicos destes dispositivos, assim como no desenvolvimento de novas aplicações em bioeletrônica. Porém, a grande barreira à entrada de pesquisadores dispostos a contribuir para o avanço desta área é a falta de uma linguagem comum entre cientistas de diferentes origens. Isso pode ser resolvido com o aumento do interesse e proatividade dos pesquisadores por outras áreas do conhecimento. A leitura de artigos, participação em congressos e networking com profissionais variados são fatores que podem criar um ambiente fértil baseado em colaborações entre diferentes ciências. Assim, esta comunidade multidisciplinar poderá crescer. E os seus resultados também. ■

Fontes:

G. Lanzani, Nature Materials 13, 775–776 (2014)
J. Rivnay e G. Malliaras, 2014 MRS Spring Meeting & Exhibit, 21 a 25 de Abril de 2014, São Francisco, Califórnia, EUA
R. A. Green et al. Biomaterials 29, 3393–3399 (2008).
K. Mathieson et al., Nature Photon. 6, 391–397 (2012).

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