Bioeletrônica ingerível e os avanços na transmissão de energia sem fio – Portal Tech4Health
Biossensores ou dispositivos para a administração de fármacos podem ficar no estômago indefinidamente
terça-feira, 2 maio 2017 11:25
Bioeletrônica. Engenharia Biomédica. Gastroenterologia.
Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), do "Brigham and Women's Hospital" e do Laboratório "Charles Stark Draper", nos Estados Unidos, desenvolveram uma maneira de fornecer energia elétrica sem fio para pequenos dispositivos eletrônicos, que podem permanecer no trato digestivo indefinidamente depois de serem engolidos. Tais dispositivos podem ser utilizados para detectar condições no trato gastrointestinal ou transportar pequenos reservatórios de fármacos a serem administrados durante um período prolongado.
"Encontrar uma fonte de energia segura e eficiente é um passo crítico no desenvolvimento destes dispositivos eletrônicos ingeríveis", diz o Dr. Giovanni Traverso, pesquisador do Instituto Koch do MIT para Pesquisa de Câncer, gastroenterologista e engenheiro biomédico no "Brigham and Women's Hospital".
"Se estamos propondo que os sistemas fiquem no corpo por um longo tempo, a energia torna-se crucial", diz o Dr. Giovanni Traverso, um dos principais autores do estudo. "Ter a capacidade de transmitir energia sem fio abre novas possibilidades quando começamos a abordar esse problema".
A nova estratégia, descrita na edição de 27 de abril da revista Scientific Reports, baseia-se na transferência sem fio de energia de uma antena fora do corpo para outra dentro do trato digestivo. Este método produz energia suficiente para executar sensores que poderiam monitorar frequência cardíaca, temperatura ou níveis de nutrientes ou gases específicos no estômago.
"Agora não temos como medir coisas como a temperatura corporal ou a concentração de micronutrientes durante um longo período de tempo, e com esses novos disositivos podemos começar a fazer esse tipo de coisa", diz o Dr. Abubakar Abid, um ex-aluno de pós-graduação do MIT que é o primeiro autor do artigo científico.
O Dr. Robert Langer, professor do Instituto David H. Koch no MIT, também é um pesquisador sênior envolvido no estudo. Outros autores são os associados técnicos do Instituto Koch, Taylor Bensel e Cody Cleveland, o ex-técnico de pesquisa do Instituto Koch, Lucas Booth, e os pesquisadores do Laboratório Draper, Brian Smith e Jonathan O'Brien.
A equipe de pesquisa vem trabalhando há vários anos em diferentes tipos de eletrônicos ingeríveis, incluindo sensores que podem monitorar sinais vitais e administrar drogas que podem permanecer no trato digestivo por semanas ou meses. Para alimentar esses dispositivos, a equipe tem explorado várias opções, incluindo uma célula galvânica que é alimentada por interações com o ácido do estômago.
No entanto, uma desvantagem em utilizar este tipo de célula de bateria é que os eletrodos metálicos param de funcionar ao longo do tempo. Em seu último estudo, a equipe queria criar uma maneira de alimentar seus dispositivos sem usar eletrodos, fazendo com que permaneçam trato gastrointestinal indefinidamente.
Os pesquisadores consideraram pela primeira vez a possibilidade de usar a transmissão por campo de proximidade, ou seja, transferência de energia sem fio entre duas antenas em distâncias muito pequenas. Esta abordagem está sendo usada para alguns carregadores de telefones celulares, mas devido à necessidade de proximidade entre as antenas, os pesquisadores perceberam que não funcionaria para transferir a energia entre as distâncias que precisavam – entre 5 e 10 centímetros.
Em vez disso, eles decidiram explorar a transmissão "midfield" ("meio-campo", em tradução literal), que pode transferir energia através de distâncias maiores. Pesquisadores da Universidade de Stanford recentemente estudaram esta solução aplicada a marca-passos, e pesquisadores japoneses já tinham publicado um estudo em 2015 tentando aplicar esta tecnologia para a endoscopia por cápsulas.
Usando esta abordagem, os pesquisadores foram capazes de fornecer de 100 a 200 microwatts de energia para o seu dispositivo, o que é mais do que suficiente para alimentar pequenos eletrônicos, diz o Dr. Abubakar Abid. Um sensor de temperatura que transmite sem fio uma leitura de temperatura a cada 10 segundos exigiria cerca de 30 microwatts, assim como uma câmera de vídeo que leva de 10 a 20 quadros por segundo.
Em um estudo conduzido em suínos, a antena externa foi capaz de transferir energia por distâncias entre 2 e 10 centímetros e os pesquisadores descobriram que a transferência de energia não causou danos aos tecidos.
"Nós somos capazes de enviar energia suficiente das antenas do transmissor fora do corpo para antenas dentro do corpo, e fazê-lo de uma forma que minimiza a radiação sendo absorvida pelo próprio tecido", diz o Dr. Abid.
O Dr. Christopher Bettinger, professor associado de ciência de materiais e engenharia biomédica na Carnegie Mellon University, descreve o estudo como um "grande avanço" no campo da eletrônica ingerível.
"Este é um problema clássico com dispositivos implantáveis: Como você os energiza? O que eles estão fazendo com energia sem fio é uma abordagem muito agradável ", diz o Dr. Christopher Bettinger, que não estava envolvido na pesquisa.
Uma alternativa às baterias
Para este estudo, os pesquisadores usaram antenas quadradas com lados de 6,8 milímetros. A antena interna tem que ser pequena o suficiente para ser engolida, mas a antena externa pode ser maior, o que oferece a possibilidade de gerar grandes quantidades de energia. A fonte de alimentação externa pode ser utilizada tanto para alimentar continuamente o dispositivo interno ou para carregá-lo, diz o Dr. Traverso.
"É realmente uma prova de conceito no estabelecimento de uma alternativa às baterias para a alimentação de dispositivos no trato GI", diz ele.
"Esse trabalho, combinado com avanços importantes em eletrônica, sistemas de baixo consumo de energia em um chip e miniaturização de embalagens inovadoras, pode permitir muitas aplicações de detecção, monitoramento e até mesmo estimulação ou atuação", diz o Dr. Smith.
Os pesquisadores continuam pesquisando diferentes maneiras de alimentar dispositivos no trato gastrointestinal e esperam que alguns de seus dispositivos estejam prontos para testes em cerca de cinco anos.
"Estamos desenvolvendo uma série de outros dispositivos que podem ficar no estômago por um longo tempo, e olhando para diferentes prazos de quanto tempo queremos mantê-los em", diz o Dr. Giovanni Traverso.
Fonte: Anne Trafton, MIT News Office. Imagem: MIT News.
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