Próteses do futuro: guiadas por pensamentos e alimentadas por fluidos corporais

Atualmente, as mais avançadas próteses robóticas recebem seus comandos do cérebro. E em breve, provavelmente irão se alimentar de sucos no cérebro, isto é, do fluido cerebrospinal. Engenheiros eletricistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT, na sigla em inglês) estão desenvolvendo uma inovadora célula de combustível revestida de platina que usa a glicose encontrada em fluidos corporais. O objetivo específico dos engenheiros é implantar as células combustíveis em reservatórios de líquido do cérebro e usá-las para o funcionamento de componentes de baixa demanda energética em uma prótese neural. Eles descreveram um protótipo na revista científica de acesso livre PLoS One.

O fluido cerebrospinal preenche o canal central da medula espinhal, os ventrículos cerebrais, e os espaços entre a superfície cerebral e o crânio. A principal função do fluido é proteger o tecido nervoso sensível de impactos, mas acontece que o fluido também é rico em glicose, uma molécula que nossos corpos usam como fonte de energia. O modo como metabolizamos a glicose é bastante complexo, envolvendo um ciclo de reações enzimáticas de oxidação que quebra as moléculas uma a uma. No final do processo, a molécula foi degradada, e todos os 24 elétrons foram separados e preservados. Células combustíveis trabalham sob o mesmo princípio, mas removem apenas 2 elétrons.

“A oxidação da nossa célula de combustível é como uma oxidação infantil”, disse Rahul Sarpeshkar, que liderou a pesquisa. “Nós não temos todas as enzimas que o corpo tem”. Em vez de enzimas, o seu laboratório usa um anodo revestido de platina para catalisar a reação com a glicose no fluido cerebrospinal, fazendo com que dois eletrodos e dois íons de hidrogênio saltem da molécula. O hidrogênio carregado positivamente passa por uma membrana a um catodo do lado oposto, enquanto os elétrons são pressionados por um circuito externo. Ambos se recombinam na ponta do catodo, conectando-se ao oxigênio do ambiente para formar água. Em seu desempenho máximo, o circuito pode gerar até 180 ?W cm^?2de potência, de acordo com o estudo.

Essa não é a primeira célula de combustível à base de glicose, e certamente esse não é o único modo de fazê-la. Outros grupos – a exemplo do grupo da Universidade de Clarkson que testou um novo tipo de eletrodo que, quando implantado em um caracol e imerso em seu sangue, garante um abastecimento pequeno e estável de eletricidade durante alguns meses – revestem seus eletrodos em enzimas que retiram, ativamente, elétrons da glicose. Essa técnica imita o metabolismo natural, mas carece de um sistema para a reposição das proteínas metabólicas. “Um dos problemas das células de combustível de glicose é que, se você coloca uma enzima que seja eficiente na oxidação da glicose, eventualmente aquela enzima irá parar de funcionar”, diz Sarspeshkar. Uma vez que a enzima se esgota na célula de combustível, todo o sistema tem de ser substituído. Ele espera uma vida útil mais longa (embora, talvez, com menor eficiência) para suas próprias células de combustível. Em razão do fato de seu único papel ser catalisar a oxidação, o anodo platinado nunca se esgota e nunca tem de ser substituído.

Outro problema encontrado por dispositivos implantados de todos os tipos é a resposta imunológica do corpo. Ao longo do tempo, as células começam a se apropriar dos invasores de um modo que bagunça o circuito.  Mas acontece que o fluido cerebrospinal é como uma zona esquecida do corpo, quase que não patrulhada pelas células imunológicas; de fato, praticamente não há células nessa região, tornando-a uma zona neutra e escondida, perfeita para proteger elementos estrangeiros.

Independente de como o anodo é projetado, essas células de combustível fornecem pouca energia e não teriam valor sem a engenhosidade daqueles pesquisadores que estão adaptando as interfaces entre cérebro e computador para consumir menos e menos energia. Casualmente, Sarpeshkar também lidera essa frente de pesquisa. De acordo com ele, o seu laboratório reivindica ter o estimulador nervoso e amplificador neural com menor consumo de energia do mundo; e, em 2010, ele publicou um livro intitulado Ultra Low Power Bioelectronics. Quando chegar o tempo de Sarpeshkar testar células de combustível em animais (pois agora estão trabalhando com fluidos artificiais), eles provavelmente estarão emparelhados com um de seus próprios dispositivos médicos.

*Morgen Peck escreveu este conteúdo para a Ieee, maior organização técnico-profissional do mundo, dedica-se ao desenvolvimento da tecnologia para o benefício da humanidade. Por meio de suas publicações, usadas amplamente como referência, conferências, padrões tecnológicos, e atividades profissionais e educacionais, Ieee é uma fonte confiável em várias especialidades, desde sistemas aeroespaciais, computadores e telecomunicações a engenharia biomédica, energia elétrica e eletrônicos de consumo. Saiba mais em http://www.ieee.org.