Este pequeno dispositivo sem fio se conecta diretamente aos seus ossos para monitorar a saúde

O dispositivo fino como papel também pode um dia ser usado para estimular o crescimento ósseo.



(Crédito: Le Cai et al., Nature Communication. 2021.)



Principais conclusões
  • Engenheiros da Universidade do Arizona desenvolveram um computador sem fio ultrafino que se conecta diretamente à superfície do osso.
  • O dispositivo é capaz de se prender permanentemente aos ossos, onde pode fornecer aos médicos medições relacionadas à saúde óssea.
  • O dispositivo também pode ser usado para estimular o crescimento ósseo, fornecendo luz aos ossos.

Os seres humanos vêm quebrando ossos há muito tempo. As estratégias para o manejo de ossos quebrados estavam entre nossas primeiras técnicas cirúrgicas, com os primeiros exemplos de aparelhos cirúrgicos de fratura óssea que remonta 5.000 anos ao Egito; no início de 1900, arqueólogos descobriram dois corpos (um com um fêmur quebrado e outro com um braço quebrado) com talas posicionadas sobre ossos fraturados em uma antiga tumba em Naga ed-Deir, perto de Abidos, no Egito.



Ainda estamos quebrando muitos ossos 5.000 anos depois. Cientistas estimativa há quase 180 milhões de novas fraturas ósseas a cada ano, sendo a forma mais comum de tratamento um molde de gesso ou haste de metal. Basicamente, ainda estamos usando talas – embora sofisticadas.

Embora a estratégia geral para o tratamento de um osso quebrado não tenha mudado fundamentalmente em 5.000 anos, avanços na saúde óssea estão ocorrendo. No entanto, o osso continua a ser uma estrutura desafiadora para estudar. Como expectativa de vida aumenta e problemas médicos relacionados aos ossos tornam-se mais comum , a necessidade de novos métodos de estudo e proteção da saúde óssea é mais crítica do que nunca.



Para ajudar a atender a essa necessidade, uma equipe de engenheiros e médicos da Universidade do Arizona desenvolveu um computador sem fio ultrafino que se conecta diretamente à superfície do osso. Esses dispositivos podem um dia fornecer aos médicos uma nova maneira de monitorar com precisão a saúde óssea em pacientes, ao mesmo tempo em que potencialmente abrem técnicas novas e mais seguras para estimular o crescimento ósseo.



Por que o osso é difícil de estudar?

Muitos estudos preliminares em biologia começam em uma placa de Petri, e não em um organismo vivo. Embora esses ambientes artificiais não sejam perfeitos, eles estão próximos o suficiente para que os cientistas testem rapidamente as hipóteses iniciais antes de entrar em modelos animais. No entanto, o osso é único, pois precisa de forças mecânicas (como o impacto do pé no chão ou a flexão do bíceps) para se manter. Combine isso com a estrutura densa e intrincada do osso e você terá um ambiente que é notoriamente difícil simular artificialmente. Como resultado, muitos estudos ósseos são realizados em organismos vivos. Mas como você estuda o osso se ele está enterrado sob a pele, músculo e gordura?

Não é muito prático cortar o tecido circundante toda vez que você quiser fazer um teste nos ossos. Os autores por trás do estudo recente, publicado em Comunicações da Natureza , adotou uma abordagem diferente e mais humana: implantar um dispositivo na superfície do osso que pode executar os testes para você. Isso ainda requer cortar o tecido circundante, mas apenas uma vez. Ainda assim, projetar um computador que possa viver na superfície de um osso apresenta alguns desafios.



Posicionamento, permanência e poder

À medida que você se move, seus músculos deslizam sobre seus ossos. Há muito pouco espaço entre esses dois tecidos. Assim, os pesquisadores projetaram o dispositivo para ser tão fino quanto um pedaço de papel (com comprimento e largura aproximadamente do tamanho da primeira junta do dedo indicador). Isso garantiu que o dispositivo fosse fino o suficiente para evitar irritar o tecido circundante ou se deslocar durante o movimento muscular e também ser flexível o suficiente para se contorcer no osso.

Um dispositivo desenvolvido recentemente se conecta diretamente ao osso e é equipado com módulos capazes de medir sinais biofísicos relacionados à resistência e cicatrização óssea, além de estimular o crescimento ósseo.
(Crédito: Le Cai et al., Natureza Comunicação. 2021.)



O movimento muscular não é o único fator que pode fazer com que o dispositivo seja desalojado. O osso está em constante estado de remodelação, com algumas células destruindo o tecido ósseo antigo, enquanto outras células estão criando novo tecido ósseo. Devido a isso, os métodos tradicionais de fixação perderiam gradualmente a adesão. Para resolver isso, o coautor do estudo e engenheiro biomédico John Szivek desenvolveu um adesivo que contém partículas de cálcio semelhantes ao osso.



Com este design, o dispositivo é capaz de formar uma ligação permanente ao osso e fazer medições. Isso abre as portas para o estudo de doenças ósseas que se desenvolvem ao longo dos anos, como a doença de Paget, que resulta em ossos frágeis e deformados. Mas como o dispositivo pode permanecer ligado por anos ou mesmo décadas?

O pequeno dispositivo não tem uma bateria de longa duração. Na verdade, ele não tem bateria. O autor o abandonou para manter o tamanho baixo. Em vez disso, a equipe utilizou a mesma tecnologia usada em smartphones para pagamentos sem contato: comunicação de campo próximo (NFC), que resolveu o problema de energia e também permitiu que eles se comunicassem com o dispositivo.



O dispositivo é alimentado e se comunica por comunicação de campo próximo (NFC) comum a smartphones.
(Crédito: Le Cai et al., Natureza Comunicações, 2021.)

Projetar um dispositivo que possa viver no osso por longos períodos com capacidade de energia e comunicação sem fio é um feito impressionante de engenharia. Mas como isso facilita o estudo e a proteção da saúde óssea? O dispositivo também é equipado com componentes capazes de medir a resistência e cicatrização óssea e estimular o crescimento ósseo.



Medindo a força e a cicatrização óssea

Para determinar se o dispositivo poderia ser usado para estudar como os ossos são fortalecidos, os pesquisadores adicionaram um medidor de tensão para medir a deformação do osso. Quando as forças são aplicadas ao osso, o osso pode comprimir, expandir, torcer e dobrar. De acordo com Lei de Wolff , um osso saudável se remodelará para se adaptar à força. Por exemplo, quando o pé de um corredor atinge o chão, os ossos da canela se comprimem. Para um novo corredor, os ossos da canela comprimem mais do que os de um corredor experiente. O novo corredor experimenta mais tensão na canela do que o corredor experiente, mas, eventualmente, seus ossos se remodelarão para se tornarem mais fortes e resistirem à compressão.

No entanto, se o novo corredor não der tempo para as canelas se recuperarem, ele desenvolverá fraturas. Ainda não está claro qual magnitude e duração da força é mais benéfica para fortalecer os ossos sem risco de fraturas. Provavelmente varia de pessoa para pessoa. Ao usar tensão para fortalecer o osso, é importante determinar se o osso cicatrizou antes de aplicar mais tensão.

Assim, os pesquisadores queriam determinar se o dispositivo poderia monitorar a cicatrização óssea. Osso saudável paira em torno da temperatura normal do corpo. Mas enquanto cura, osso temperatura aumenta à medida que as células trabalham para reparar o tecido e mais sangue flui para a fratura para fornecer nutrientes. Os cientistas mostraram que o monitoramento da temperatura óssea tem potencial para diagnosticar o estágio do processo de cicatrização. Períodos prolongados de alta temperatura podem sugerir complicações na cicatrização. Da mesma forma, se um local de fratura apresentar uma diminuição prematura da temperatura, isso pode indicar um sinal de interrupção do processo de cicatrização.

No entanto, esta metodologia tem permanecido subutilizada devido às dificuldades de detectar o calor através das camadas de pele, gordura e músculos. Assim, os pesquisadores anexaram um termistor para medir a temperatura no local da implantação. Ser capaz de medir a temperatura no próprio osso proporciona uma análise mais precisa do processo de cicatrização.

Encontrar a zona de ouro da magnitude da tensão e a duração da cicatrização melhoraria as terapias para o tratamento da osteoporose, que afeta um estimado 200 milhões de pessoas em todo o mundo. A osteoporose não afeta apenas os idosos. É também um problema comum para indivíduos com deficiências físicas : crianças com paralisia cerebral, por exemplo. No entanto, dada a nossa falta de compreensão de como os ossos são fortalecidos (especialmente em idades jovens), os ossos frágeis das crianças são tratados com medicamentos, o que pode causar problemas com o crescimento ósseo durante a vida adulta.

Estimulando o crescimento ósseo

A tensão não é o único método de estimular o crescimento ósseo. Estudos recentes mostraram que a luz pode ser usada para estimular o osso regeneração . No entanto, para atingir o osso, a luz de alta energia deve penetrar em camadas de outros tecidos, o que pode danificar esses tecidos . Os autores procuraram determinar se seu dispositivo era capaz de fornecer estimulação luminosa, ao mesmo tempo em que coletavam dados. Uma fonte de luz diretamente no osso significaria que fontes de luz de menor energia poderiam ser utilizadas, reduzindo o risco de danos colaterais.

Imagine que você fraturou o fêmur e seu médico implante este dispositivo para estimular a cicatrização e monitorar a temperatura. Quando a temperatura começa a ficar muito alta, a estimulação da luz pode ser reduzida. E como o dispositivo utiliza o mesmo NFC comum aos telefones celulares, os indivíduos podem monitorar e intervir sem consultar um médico.

Isso oferece oportunidades sem precedentes para estudos mecanicistas de osteogênese e patogênese de doenças musculoesqueléticas, bem como o desenvolvimento de novos tipos de diagnósticos e terapêuticas, escreveram os autores.

Neste artigo biotech Emerging Tech medicina do corpo humano

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