Folha artificial medicinal alimenta implante biomédico usando luz

Folha artificial medicinal

As plantas convertem a luz em energia de forma eficiente através da fotossíntese, uma capacidade que os cientistas e engenheiros estão se esforçando por imitar usando diversas abordagens, em tentativas para desenvolver a chamada fotossíntese artificial.

A principal ferramenta nesse campo são minúsculas estruturas metálicas projetadas para absorver e concentrar a energia da luz e gerar os portadores de carga adequados, conhecidos como plásmons de superfície.

O que acontece é que a luz, ao atingir a superfície dos metais, produz uma ondulação dos elétrons na superfície do material, ondas essas que podem ser controladas com precisão. Essas ondulações – os plásmons – deram origem à plasmônica, por isso também conhecida como “luz através de fios”.

Agora, Pengju Li e colegas da Universidade de Chicago, nos EUA, usaram esse princípio para criar uma “folha plasmônica”, um dispositivo bioeletrônico que capta a energia da luz e a torna diretamente utilizável para estimular “coisas” no corpo humano, sendo que essas coisas podem ser desde nervos vivos, mas danificados por alguma enfermidade, até marcapassos e outros dispositivos biomédicos.

“Esses materiais são muito singulares e diferentes de outros dispositivos fotossensíveis, como os fotovoltaicos,” explicou Li. “Por meio do nosso projeto, aumentamos a capacidade dessas nanoestruturas de armazenar energia, de modo que agora elas podem ser potencialmente usadas como novas formas de terapia e em novas interfaces humano-computador.”

Um novo tipo de bioeletrônica

Os dispositivos de captação de luz, como as células solares, usam materiais semicondutores para converter a luz solar em eletricidade. No entanto, esses materiais possuem limites de eficiência devido às leis da física.

Componentes plasmônicos em nanoescala, ou nanoplasmônicos, podem ser mais eficientes, como é o caso das já bem conhecidas folhas artificiais. Esses materiais são feitos de metais nobres, como o ouro ou parentes do grupo da platina. O metal é combinado com dióxido de titânio em minúsculas nanoestruturas – com cerca de 15 nanômetros – que absorvem a luz.

A luz gera os plásmons superficiais, que a seguir se decompõem em elétrons e lacunas, chamados portadores quentes devido à sua elevada energia, permitindo controlar processos elétricos e químicos em nanoescala. Os componentes nanoplasmônicos funcionam essencialmente como minúsculos conversores de energia, fornecendo energia elétrica sem a necessidade de fontes de alimentação com fios.

O que a equipe conseguiu agora foi encontrar um meio de usar o próprio componente para amplificar essa energia, abrindo caminho para seu uso prático, e não apenas em dispositivos médicos, por meio da bioeletrônica, mas até mesmo em plataformas de computação alternativa emergentes.

No caso das aplicações biomédicas, a equipe já fez uma demonstração usando seu componente para controlar os batimentos cardíacos de um animal de laboratório, usando apenas luz para controlar o implante cardíaco experimental. Outro implante também foi testado no nervo ciático: Quando a luz incidia sobre o material, ele estimulava o nervo, demonstrando uma potencial terapia para as dores neuropáticas.

Tela sem píxeis

O material nanoplasmônico também poderá ser usado como uma plataforma de sensores semelhante a um computador, na qual os usuários poderão interagir com uma espécie de tela usando luz fora da faixa visível, uma forma potencialmente segura de transmitir informações.

Para demonstrar essa possibilidade de optossensoriamento, a equipe construiu um dispositivo semelhante a uma tela sensível ao toque, só que sem píxeis, que funciona respondendo à luz em vez do toque. Os pesquisadores interagiram com a tela usando uma caneta laser e, em seguida, usaram um programa de inteligência artificial para reconstruir os padrões projetados.