Com as recentes notícias de que a Neuralink, de Elon Musk, foi aprovada para iniciar testes em humanos, fica claro que a bioeletrônica, como as interfaces cérebro-computador (BCIs), está saindo do campo da ficção científica e se tornando realidade. O que é uma interface cérebro-computador (BCI)? É um implante cerebral que permite aos usuários controlar um computador ou dispositivo externo apenas com o pensamento.
A Neuralink envolve um implante com mais de 1.000 eletrodos em 64 fios, cada um mais fino que um fio de cabelo humano, que registram e transmitem os pensamentos dos pacientes para um aplicativo. O aplicativo então decodifica os sinais cerebrais e controla um computador, clicando em itens como se estivesse usando um mouse ou criando texto como se o usuário estivesse digitando. Isso permite que pacientes com paralisia ou doenças neurodegenerativas, como Parkinson ou esclerose lateral amiotrófica (ELA), se comuniquem. Suas aplicações vão além da simples reabilitação; a Neuralink vislumbra um futuro onde o pensamento se torna a interface definitiva, capacitando as pessoas a controlar dispositivos, navegar em mundos virtuais e até mesmo aumentar suas capacidades cognitivas.
A Neuralink não está sozinha nessa busca por conectar cérebros e computadores — empresas como a Synchron e a Precision Neuroscience também iniciaram testes clínicos em humanos com tecnologias de BCI. Muitos desses testes em humanos estão buscando pacientes com paralisia ou ELA, mas as oportunidades para avanços médicos se estendem muito além dessas doenças.
Uma análise de patentes e periódicos na CAS Content CollectionTM mostrou um interesse crescente em bioeletrônica, mas também revelou desafios importantes para seu uso generalizado. Observamos um crescimento substancial em publicações de periódicos relacionadas à bioeletrônica nos últimos cinco anos, mas a pesquisa acadêmica está superando as publicações de patentes (veja a Figura 1). Isso sugere que a comercialização em larga escala dessas tecnologias enfrenta desafios científicos fundamentais que estão sendo estudados em nível acadêmico e podem levar anos para serem superados.
Por que ainda é um desafio integrar a bioeletrônica perfeitamente ao dia a dia? Quais são os materiais que tornam essas inovações possíveis e como eles precisam melhorar? Nossa análise das pesquisas mais recentes revelou várias tendências importantes.
Uma introdução à bioeletrônica
A bioeletrônica envolve o desenvolvimento de novos dispositivos, muitas vezes utilizando materiais e metodologias inovadoras, que permitem que sistemas eletrônicos se conectem a componentes biológicos nos níveis molecular, celular e de órgãos. Essa abordagem capitaliza a capacidade intrínseca dos organismos vivos de sentir, processar e responder a estímulos externos em combinação com a precisão e a velocidade dos componentes eletrônicos modernos. Para criar essas interfaces humano-computador, essas inovações dependem fortemente de uma gama de materiais especializados que permitem uma integração eficaz com tecidos biológicos.
A Neuralink, como mencionado, usa eletrodos minúsculos em fios que têm um quinto da espessura de um fio de cabelo humano, combinando metais condutores com poliamida, um tipo de plástico. A Precision Neuroscience também utiliza milhares de eletrodos minúsculos incorporados em um filme flexível que se molda à superfície do cérebro. A miniaturização dos materiais usados nos eletrodos é um desafio único, pois eles devem ter a capacidade de transferir carga elétrica de forma eficiente para os tecidos biológicos, mantendo a maciez, a flexibilidade e a biocompatibilidade.
Nossa pesquisa mostrou que a área facial e o sistema nervoso são as áreas corporais mais citadas na pesquisa em bioeletrônica, mas quase todos os sistemas estão representados em algum grau (veja a Figura 2).
Estamos vendo aplicações de bioeletrônica para monitoramento cardíaco, administração de medicamentos, controle da dor e muito mais. Assim como as BCIs, essas inovações devem usar materiais que possam atender a múltiplas demandas. Esses materiais estão detalhados abaixo.
Polímeros usados em bioeletrônica
Polímeros são moléculas compostas por muitas unidades ligadas entre si. Na bioeletrônica, compósitos contendo polímeros são cada vez mais pesquisados, pois podem combinar materiais com múltiplas propriedades complementares ou permitir que um material funcione de forma ideal para uma determinada aplicação.
Por exemplo, o polidimetilsiloxano (PDMS) é o polímero mais comum citado em referências de bioeletrônica devido às suas muitas propriedades vantajosas. Primeiramente, sua flexibilidade e elasticidade ajustáveis permitem a criação de dispositivos eletrônicos flexíveis e elásticos que podem se integrar mecanicamente aos tecidos biológicos. Substratos à base de PDMS são comumente usados na fabricação de eletrodos flexíveis, sensores e dispositivos vestíveis. O PDMS também é adequado para aplicações ópticas, e interfaces neurais revestidas com PDMS podem ser implantadas no cérebro ou no sistema nervoso sem causar danos significativos aos tecidos ou provocar uma resposta imune.
Nanotubos de carbono são um tipo de material condutor que pode ser combinado com o PDMS. Essas estruturas, tipicamente com dezenas de nanômetros de diâmetro, fornecem condutividade elétrica e podem ser misturadas ao PDMS para uso em aplicações biomédicas, como no músculo cardíaco e no cérebro.
Outro material promissor é o PEDOT:PSS, uma combinação de polímeros com propriedades condutoras e mecânicas ideais. Este material pode ser usado em hidrogéis, uma classe de materiais com propriedades semelhantes aos tecidos humanos, adequados para aplicações bioeletrônicas. Por exemplo, uma patente recente descreve um eletrodo de gel injetável contendo PEDOT:PSS, enviado para a cavidade de ressecção de um tumor para realizar tratamentos de eletroterapia visando células cancerígenas residuais após a cirurgia.
Esses polímeros sintéticos e materiais microscópicos, como os nanotubos, são promissores, mas também descobrimos que os cientistas não se esqueceram dos materiais do mundo natural que podem ser combinados para criar compósitos bioeletrônicos (veja a Figura 3).
Polímeros naturais, incluindo celulose, alginato e seda, possuem as vantagens de estabilidade, alta resistência mecânica e biocompatibilidade. Eletrodos à base de seda combinados com PEDOT:PSS demonstraram excelente elasticidade e conforto para dispositivos vestíveis. Outra inovação recente é a combinação de óxido de molibdênio biodegradável e alginato de sódio — desenvolvido a partir de algas marrons — que cria um supercapacitor reabsorvível para alimentar dispositivos bioeletrônicos implantados.
Metais e compostos inorgânicos na bioeletrônica
Isso nos leva a outra classe de materiais: os metais. Metais nobres são condutores e estáveis, por isso têm destaque na pesquisa em bioeletrônica. A Neuralink, por exemplo, utiliza ouro e platina, dois metais altamente estáveis e bem compreendidos.
Nossa análise, no entanto, revelou que metais biodegradáveis e biorreabsorvíveis, como molibdênio, zinco e magnésio, também são compostos inorgânicos promissores para a bioeletrônica. Esses materiais combinam as propriedades elétricas de um metal com a capacidade de serem decompostos e absorvidos com segurança pelo corpo ao longo do tempo. Dispositivos bioeletrônicos totalmente reabsorvíveis foram construídos combinando esses metais com polímeros encapsulantes biodegradáveis, como um eletrodo estimulador de nervos eletrônico composto de molibdênio e poliuretano.
Superando obstáculos para a comercialização
Existem inúmeras possibilidades inovadoras com a bioeletrônica, e nossa pesquisa em periódicos e patentes mostrou que os exemplos discutidos acima são apenas uma pequena parte dos casos de uso potenciais. No entanto, este campo não está isento de desafios significativos, e a maior parte dessa tecnologia ainda é experimental.
Um dos principais desafios é a resposta imune a esses materiais e dispositivos. Cada paciente é diferente, e serão necessários testes e pesquisas extensivos para demonstrar que os materiais bioeletrônicos individuais são seguros para uso generalizado. Os nanotubos de carbono, por exemplo, podem ter uma variedade de estruturas, tornando ainda mais difícil prever como cada pessoa reagirá. As BCI são implantadas em tecidos cerebrais sensíveis e podem até ter implicações de segurança cibernética no futuro.
O único caminho para a comercialização é o processo de ensaios clínicos e testes in vivo. Efeitos de longo prazo devem ser estudados para determinar a toxicidade e a eficácia — os materiais condutores mantêm sua capacidade de transmitir carga elétrica de forma eficaz? Esses polímeros se decomporão dentro do corpo? Existem implicações de longo prazo dos implantes de BCI na fisiologia ou psicologia humana?
Abordar essas questões é um desafio importante, mas o potencial dessas inovações para melhorar a qualidade de vida também é fundamental. Estamos entusiasmados em ver como a pesquisa evoluirá nos próximos anos, à medida que os testes em humanos aumentam e mais conceitos chegam à fase de pedido de patente. Pode parecer ficção científica, mas a bioeletrônica será um componente chave do atendimento médico futuro. Para saber mais sobre como a bioeletrônica e outras classes emergentes de biomateriais remodelarão o futuro, veja nosso relatório sobre as 10 principais tendências emergentes em biomateriais.
Este artigo incorpora pesquisas concluídas em colaboração com a Universidade Westlake, na China.
