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Micro
Mini estimulador cerebral sin batería L os estimuladores neurales clínicamente aprobados están limitados por los requisitos de batería que utilizan, así como por su gran tamaño en comRedacción paración con los objetivos de estimulación. Un desafío importante para la bioelectrónica en miniatura es la entrega de energía inalámbrica en el interior del cuerpo. Las ondas electromagnéticas o de ultrasonido sufren desajustes de absorción e impedancia en las interfaces biológicas. Por otro lado, los campos magnéticos no sufren estas pérdidas, lo que ha dado lugar a implantes bioelectrónicos con alimentación magnética basados en la inducción o efectos magnetotérmicos. Sin embargo, estos enfoques aún no han producido un estimulador en miniatura que funcione a frecuencias altas clínicamente relevantes. Los neuroingenieros de la Universidad de
Rice han creado un pequeño implante quirúrgico que puede estimular eléctricamente el cerebro y el sistema nervioso sin usar una batería o una fuente de alimentación con cable. El estimulador neural extrae su energía de la energía magnética y tiene aproximadamente el tamaño de un grano de arroz. Es el primer estimulador neural con energía magnética que produce el mismo tipo de señales de alta frecuencia que los implantes con batería clínicamente aprobados que se usan para tratar la epilepsia, la enfermedad de Parkinson, el dolor crónico y otras afecciones. El ingrediente clave del implante es una película delgada de material magnetoeléctrico que convierte la energía magnética directamente en un voltaje eléctrico. El método evita los inconvenientes de las ondas de radio, ultrasonido, luz e incluso bobinas magnéticas, todo lo cual se ha propuesto para alimentar pequeños implantes inalámbricos y se ha demostrado que sufren interferencias con el tejido vivo o producen cantidades dañinas de calor. Para demostrar la viabilidad de la tecnología magnetoeléctrica, los investigadores mostraron que los implantes funcionaban en roedores que estaban completamente despiertos y libres deambulando por sus recintos. Los implantes pequeños capaces de modular la actividad del cerebro y el sistema nervioso podrían tener implicaciones de gran alcance. Si bien los implantes a batería se usan con frecuencia para tratar la epilepsia y reducir los temblores en pacientes con enfermedad de Parkinson, la investigación ha demostrado que la estimulación neural podría ser útil para tratar la depresión, los trastornos obsesivo compulsivos y más de un tercio de los que padecen de una enfermedad crónica e intratable, dolor que a menudo conduce a ansiedad, depresión y adicción a los opioides. Jacob Robinson, autor correspondiente del estudio dijo que la miniaturización es importante porque la clave para hacer que la terapia de estimulación neural esté más ampliamente disponible es crear dispositivos inalámbricos sin batería que sean lo suficientemente pequeños como para ser implantados sin cirugía mayor. Los dispositivos del tamaño de un grano de arroz podrían implantarse en casi cualquier parte del cuerpo con un procedimiento mínimamente invasivo similar al utilizado para colocar stents (El estent o «stent», es una malla extensible que se utiliza para abrir arterias, venas y otros conductos del cuerpo que han sido previamente tapadas u obstruidas) en arterias bloqueadas, dijo. Para las pruebas de roedores, se colocaron dispositivos debajo de la piel de los roedores que podían moverse libremente. Los roedores
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preferían estar en porciones de los recintos donde un campo magnético activaba el estimulador y proporcionaba un pequeño voltaje al centro de recompensa de sus cerebros. Singer, un estudiante de física aplicada en el laboratorio de Robinson, resolvió el problema de la energía inalámbrica uniendo capas de dos materiales muy diferentes en una sola película. La primera capa, una lámina magnetoestrictiva de hierro, boro, silicio y carbono, vibra a nivel molecular cuando se coloca en un campo magnético. El segundo, un cristal piezoeléctrico, convierte la tensión mecánica directamente en un voltaje eléctrico. «El campo magnético genera tensión en el material magnetoestrictivo», dijo Singer. «No hace que el material se vuelva visiblemente más grande y más pequeño, en su lugar genera ondas acústicas y algunas de ellas tienen una frecuencia resonante que crea un modo particular que usamos llamado Modo resonante acústico». La resonancia acústica en materiales magnetoestrictivos es lo que hace que los grandes transformadores eléctricos zumben audiblemente. En los implantes de Singer, las reverberaciones acústicas activan la mitad piezoeléctrica de la película. Singer dijo que crear una señal bifásica modulada que pudiera estimular las neuronas sin dañarlas era un desafío, al igual que la miniaturización. «Cuando enviamos este documento por primera vez, no teníamos la versión en miniatura implantada», dijo. «Hasta ese momento, lo más importante era descubrir cómo obtener esa señal bifásica con la que estimulamos, qué elementos del circuito necesitábamos para hacer eso». «No hay infraestructura para esta tecnología de transferencia de energía», explicó. «Si está usando radiofrecuencia (RF), puede comprar antenas de RF y generadores de señales de RF. Si está usando ultrasonido, no es como si alguien dijera: “Oh, por cierto, primero tiene que construir la máquina de ultrasonido”». «Amanda tuvo que construir todo el sistema, desde el dispositivo que genera el campo magnético hasta las películas en capas que convierten el campo magnético en voltaje y los elementos del circuito que lo modulan y lo convierten en algo que es clínicamente útil. Tuvo que fabricar todo, empaquetarlo, ponerlo en un animal, crear los entornos de prueba y los accesorios para los experimentos in vivo y realizar esos experimentos. Aparte de la lámina magnetoestrictiva y los cristales piezoeléctricos, no había nada en este proyecto que pudiera comprarse con un proveedor». Los estimuladores inalámbricos de EM proporcionan estimulación cerebral terapéutica profunda para la enfermedad de Parkinson en un modelo de roedor que se mueve libremente, además estos dispositivos pueden miniaturizarse a escala milimétrica e implantarse completamente. Estos resultados sugieren que los materiales magnetoeléctricos (ME) son un excelente candidato para permitir la bioelectrónica en miniatura para aplicaciones clínicas y de investigación. Fuentes: Boyd J. Tiny, magnetically powered neural stimulator. ScienceDaily Rice University. Rice Team Makes Tiny, Magnetically Powered Neural Stimulator. Medical Product Outsourcing Singer, Amanda et all. Magnetoelectric Materials for Miniature, Wireless Neural Stimulation at Therapeutic Frequencies. (Jun. 2020) Neuron. Estent (dispositivo) Wikipedia. (Feb. 2020).
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