Engenheiros desenvolvem eléctrodos plásticos que esticam como borrachas

A necessidade de conjugar materiais electrónicos com superfícies do corpo humano impõe-se cada vez mais.

eléctrodos

Na medicina, a necessidade de conjugar materiais electrónicos com superfícies do corpo humano impõe-se cada vez mais, sobretudo em casos como a implantação de eléctrodos para a medição da actividade cerebral, ou a entrega de pequenos volts ao parênquima cerebral por forma a aliviar certos tipos de dor. Como o cérebro é frágil e os materiais electrónicos são rígidos, esta combinação nem sempre é fácil.

O engenheiro químico Zhenan Bao está a tentar alterar este paradigma. Há mais de uma década que o seu laboratório se dedica à criação de materiais electrónicos suaves e flexíveis, capazes de se adaptarem às superfícies corporais e funcionarem como uma segunda pele. Ao longo dos anos, a equipa foi-se focando na necessidade de criação de plásticos mais elásticos com a capacidade de conduzir electricidade de forma eficaz.

A equipa de Bao descreveu a forma como modificou quimicamente um plástico frágil e rígido e o transformou num material flexível como uma banda elástica, ao mesmo tempo que aumentou a sua condutividade eléctrica. O resultado é um eléctrodo suave e flexível, compatível com os nossos nervos sensitivos.

Os eléctrodos são fundamentais no mundo da electrónica, uma vez que permitem, através da condução e amplificação de sinais eléctricos, o funcionamento integrado de vários componentes de um mesmo dispositivo. Nos nossos cérebros, fibras chamadas axónios, desempenham um papel muito semelhante, transmitindo impulsos eléctricos entre neurónios. Os plásticos flexíveis de Bao são desenhados para fazer conexões deste tipo entre o mundo rígido da electrónica e os eléctrodos orgânicos flexíveis do nosso organismo.

Uma coisa que muita gente não sabe acerca do cérebro humano é que ele muda de volume ao longo do dia – “incha” e “desincha” – e a actual geração de implantes electrónicos não consegue esticar e contrair com o cérebro, dificultando assim a manutenção de uma boa conexão.

Para criar estes eléctrodos flexíveis, os investigadores começaram com um plástico com duas qualidades essenciais: elevada condutividade e biocompatibilidade. No entanto, este plástico tem um senão: é muito frágil. Esticá-lo apenas 5% faz com que o mesmo se parta.

Durante a investigação, Bao e a sua equipa utilizaram um tipo especial de raio-X para estudarem o material a nível molecular, através de uma colaboração com cientistas do SLAC National Accelerator Laboratory. O objectivo era aumentar a flexibilidade do material, tentando sempre preservar a sua condutividade.

Todos os plásticos são polímeros, isto é, cadeias de moléculas ligadas entre si. O plástico utilizado nesta experiência é composto por 2 tipos diferentes de polímeros: um com propriedade de condução eléctrica e outro essencial para o processo de construção do plástico. A combinação destes dois polímeros origina um plástico, formado por sequências muito frágeis de estruturas esféricas, que é um bom condutor, mas nada flexível.

Os investigadores supuseram que se fossem capazes de somar a estes dois polímeros um aditivo molecular capaz de os separar, conseguiriam prevenir a cristalização que ocorre entre eles e, assim, aumentar a elasticidade do material. No entanto, este processo acarretava alguma preocupação porque, em geral, quando se adiciona um material a um determinado condutor eléctrico, a sua capacidade de transmissão de sinais diminui. Após a equipa testar mais de 20 aditivos moleculares, finalmente encontrou um capaz de fazer o truque completo: separar os dois polímeros que constituem o plástico, sem diminuir a sua condução eléctrica.

O aditivo encontrado é uma molécula semelhante aos aditivos utilizados para engrossar as sopas nas cozinhas industriais e é capaz de transformar o plástico rígido e quebradiço de dois polímeros numa estrutura molecular em padrão de rede, que estica e se deforme sem partir.

Quando a equipa de Bao testou a elasticidade do seu novo material, ficou maravilhada ao descobrir que este apresentava um poder de condução eléctrica superior ao anterior quando esticado em duas vezes relativamente ao seu tamanho original. Na verdade, este plástico permanece sempre muito condutivo mesmo quando esticado em cerca de 800% do seu tamanho original.

“Pensámos que ao adicionar um material isolador iríamos obter uma condutividade muito mais fraca, especialmente ao adicionarmos as quantidades elevadas que estamos a adicionar”, disse Bao. Mas, graças ao seu entendimento sobre o arranjo molecular dos vários materiais, os investigadores foram capazes de ajustar este arranjo e conjugar o melhor de dois mundos: preservar e até aumentar a melhor condutividade possível para o material, enquanto o transformaram numa substância muito resistente e flexível. “Ao percebermos as interacções que existem a nível molecular, conseguimos desenvolver materiais electrónicos elásticos e flexíveis como a pele, que continuam a preservar a sua elevada condutividade eléctrica.”

O material é ainda um protótipo laboratorial, mas a equipa espera desenvolvê-lo como parte integrante do seu trabalho a longo prazo na criação de materiais flexíveis que interagem com o corpo humano.

“Este eléctrodo flexível abre um sem número de novas e excitantes possibilidades para materiais electrónicos implantáveis (…) Temos um material com o desempenho eléctrico não comprometida e uma elevada elasticidade”, refere Bao, professor de engenharia química que liderou a investigação.

Este trabalho foi publicada na Science Advances.

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