Um memristor de gelatina com 16 estados de condutância estáveis imita a percepção biológica da dor, avalia a intensidade, sensibilização após lesão e autocura, enquanto controla diretamente a resposta muscular do rato.
(Nanoenergia em destaque) Uma picada aguda, uma queimadura de um fogão quente, a dor de uma topada no dedo do pé. Cada sensação desencadeia uma resposta imediata e graduada, calibrada para a gravidade da ameaça. Os nociceptores biológicos, as terminações nervosas especializadas responsáveis pela detecção de estímulos prejudiciais, fazem muito mais do que simplesmente sinalizar “dor”. Eles avaliam a intensidade em vários níveis, tornam-se hipersensíveis após a lesão para proteger o tecido danificado e gradualmente retornam ao regular à medida que a cura progride. Os engenheiros têm tentado replicar estas capacidades em sistemas artificiais, mas os sensores electrónicos de dor normalmente oferecem apenas detecção binária, registando a dor ou a sua ausência.
Construir robôs humanóides ou próteses avançadas exige algo mais sutil. Uma mão robótica que não consegue distinguir entre um toque suave e um esmagamento perigoso, ou que não consegue se proteger após sofrer danos, terá dificuldades em ambientes imprevisíveis do mundo actual. Os circuitos tradicionais de silício não possuem as propriedades adaptativas e semelhantes à memória necessárias para imitar a resposta biológica à dor.
Trabalhos anteriores mostraram que os memristores com comportamento de comutação de limiar poderiam replicar algumas características nociceptivas, incluindo sensibilidade aumentada após estimulação repetida. No entanto, os nociceptores artificiais, capazes de avaliar a dor em vários níveis de intensidade e, ao mesmo tempo, curar após uma lesão, permaneceram fora de alcance.
Um estudo publicado em Materiais Funcionais Avançados (“Nociceptor synthetic bioinspirado baseado em memristor de condutância quantizada com capacidade de avaliação de dor, autocura e neuromodulação”) agora relata um nociceptor synthetic que atinge ambas as capacidades. Pesquisadores da Northeast Regular College, na China, construíram um sistema sensório-motor bioeletrônico combinando um sensor de pressão, um memristor funcionando como nociceptor e o nervo ciático de um rato anestesiado. O sistema converte a pressão mecânica em sinais elétricos graduados que estimulam diretamente a contração muscular, formando um arco reflexo synthetic completo.
A principal inovação é o comportamento de condutância quantizada do memristor. Em vez de alternar entre apenas dois estados como os dispositivos convencionais, este memristor exibe 16 níveis discretos de condutância. Cada um corresponde a um múltiplo inteiro do quantum de condutância, aproximadamente 77,5 µS. Esses estados estáveis permitem que o dispositivo codifique a intensidade da dor, da mesma forma que os nociceptores biológicos classificam as sensações de ausentes a graves.
O memristor consiste em uma fina camada de gelatina, a conhecida proteína derivada do colágeno, imprensada entre eletrodos de magnésio e níquel. Quando a corrente flui, os átomos de magnésio oxidam e migram através da gelatina como íons. Os grupos de ácido carboxílico na estrutura molecular da gelatina canalizam essa migração ao longo de caminhos ordenados, produzindo filamentos condutores reproduzíveis em vez de emaranhados aleatórios. Imagem com microscopia de força atômica condutiva confirmou que esses filamentos têm uma estrutura em forma de cone que explica as mudanças graduais de condutância.
O sensor de pressão usa a mesma base de gelatina, convertendo força mecânica em corrente de aproximadamente 8,49 µA/kPa em uma faixa de 7 a 53 kPa. O tratamento do hidrogel com citrato de sódio explora o efeito Hofmeister, onde certos sais alteram a estrutura da proteína, mais do que duplicando a tensão de ruptura de 0,11 para 0,23 MPa.
Conectar o sensor em série com o memristor cria o nociceptor synthetic. O aumento da pressão diminui a resistência do sensor, aumentando a tensão no memristor e empurrando-o para estados de condutância mais elevados. Quatro intensidades de pressão diferentes produziram quatro saídas quantizadas distintas, confirmando a capacidade de avaliação da dor.
O dispositivo também imita duas características dos nociceptores biológicos lesionados. A alodínia causa dor devido a estímulos normalmente inofensivos; a hiperalgesia produz respostas exageradas às dolorosas. Depois de aplicar alta pressão “traumática”, os pesquisadores descobriram que o limiar de disparo caiu e os estímulos subsequentes geraram alterações maiores na condutância. O memristor lembrou-se do ferimento e ficou mais sensível, assim como o tecido danificado.
Os estados de condutância relaxam naturalmente com o tempo. O estado mais alto (16 G₀) persiste além de 10⁴ segundos, enquanto estados abaixo de 5 G₀ decaem em aproximadamente 30 segundos. Isso é paralelo ao modo como a dor intensa dura mais do que o desconforto leve. O aquecimento do ambiente de 25 °C para 45 °C reduziu o tempo de decaimento em três vezes para o estado de 14 G₀, consistente com a energia térmica ajudando os filamentos em nanoescala a se separarem.
O hidrogel de gelatina também cura danos físicos. Cortes de 8,3 µm e 50,7 µm de largura desapareceram após tratamento a 60 °C por 20 minutos, com a função elétrica completa restaurada. Seis ciclos de corte e cura não causaram degradação.
Para validar o sistema, os pesquisadores conectaram seu nociceptor synthetic ao nervo ciático de um rato, testando três animais com três repetições cada. Os sinais elétricos contornaram o sistema nervoso central e acionaram diretamente os músculos das pernas. Os potenciais de ação aumentaram de 6,2 para 35,5 mV com o aumento da pressão, movendo o membro posterior em ângulos de 0° a 15°. Um conjunto de sensores 4 × 4 mostrou que a ativação de mais sensores simultaneamente aumentou o deslocamento dos membros de aproximadamente 5° para 12° quando oito sensores dispararam juntos.
O protótipo tem limitações. A temperatura de cura de 60 °C excede a tolerância biológica, embora seja adequada para aplicações robóticas. O consumo de energia permanece baixo em aproximadamente 23,9 pJ para ligar e 14,2 pJ para reiniciar. O dispositivo atinge alta condutância em cerca de 20 nanossegundos e retorna à linha de base em aproximadamente 128 nanossegundos.
Este nociceptor synthetic aproxima os sistemas eletrônicos do comportamento adaptativo e de autoproteção da percepção biológica da dor. Robôs equipados com detecção graduada de dor, sensibilização induzida por lesões e recuperação gradual poderiam operar com mais segurança em ambientes complexos. A abordagem também pode informar o projeto neuroprotético e novas estratégias para o manejo da dor crônica por meio de interfaces nervosas projetadas.
Por
Miguel
Berger
– Michael é autor de quatro livros da Royal Society of Chemistry:
Nanossociedade: Ultrapassando os Limites da Tecnologia (2009),
Nanotecnologia: o futuro é minúsculo (2016),
Nanoengenharia: as habilidades e ferramentas que tornam a tecnologia invisível (2019), e
Não desperdice! Como as nanotecnologias podem aumentar a eficiência em toda a sociedade (2025) Direitos autorais ©
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