Um estudo de modelagem computacional da excitação de células neuronais com nanogeradores triboelétricos

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 13411 (2022) Citar este artigo

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Distúrbios neurológicos e lesões nervosas, como lesão da medula espinhal, acidente vascular cerebral e esclerose múltipla podem resultar na perda da função muscular. A eletroestimulação das células neuronais é o tratamento clínico atualmente disponível nesse sentido. Como um coletor de energia eficaz, os nanogeradores triboelétricos (TENG) podem ser usados ​​para estimulações neurais/musculares autoalimentadas porque a saída do TENG fornece pulsos de estimulação para os nervos. No presente estudo, usando uma abordagem de modelagem computacional, o efeito dos micropadrões de superfície na distribuição do campo elétrico, tensão induzida e capacitância das estruturas TENG foram investigados. Ao incorporar o efeito do TENG dentro do modelo matemático do comportamento elétrico do neurônio (equação do cabo com o modelo de Hodgkin-Huxley), seu impacto no comportamento elétrico dos neurônios foi estudado. Os resultados mostram que o TENG opera de forma diferente com várias modificações de superfície. O desempenho do TENG na excitação dos neurônios depende da velocidade de contato e liberação de seus eletrodos de acordo.

Os seres humanos estão rodeados por vários tipos de fontes de energia no ambiente, incluindo energia solar, térmica, mecânica, química e biológica1. Além disso, o próprio corpo humano é uma fonte favorável de energia, pois é semipermanente e facilmente disponível2. Além disso, o desenvolvimento de fontes sustentáveis ​​de energia é uma demanda inevitável devido ao surgimento de dispositivos eletrônicos portáteis e redes de sensores3. Entre os vários tipos de fontes de energia, a energia mecânica tem atraído considerável atenção devido à sua disponibilidade universal no ambiente natural, no corpo humano e nas atividades da vida4. Por isso, pesquisas têm sido realizadas para desenvolver sistemas integrados denominados Nanoenergia, explorando micro e nanoestruturas capazes de captar facilmente a energia do ambiente e operar de forma contínua, independente e eficaz5,6,7. Técnicas de coleta de energia constituem uma possível solução para o problema de fornecimento de energia de dispositivos eletrônicos portáteis, dispositivos de saúde e sensores sem fio8 que são atualmente fornecidos por baterias. A aplicação de baterias comuns está se tornando impraticável e desfavorável, principalmente por causa de sua vida útil limitada, dificuldades de manutenção e riscos ambientais devido ao vazamento de produtos químicos9,10. Ao lado das tecnologias tradicionais de captação de energia mecânica para fornecer energia para dispositivos eletrônicos, os nanogeradores triboelétricos (TENGs) têm recebido grande atenção nos últimos anos devido ao seu forte potencial para uso em sistemas autoalimentados11. As TENGs são amplamente utilizadas para captação e conversão de energia mecânica em energia elétrica em diversas aplicações12. O princípio de funcionamento do TENG é baseado na triboeletrificação de contato juntamente com efeitos de indução eletrostática13. Como um antigo fenômeno conhecido, o efeito triboelétrico ocorre entre dois materiais com diferentes afinidades triboelétricas e leva à transferência de cargas e aumento do tribo-potencial14,15. Quando dois materiais estão em contato e depois separados, o potencial alternado conduzirá os elétrons para o circuito elétrico externo, fazendo com que eles se movam para frente e para trás16.

Os TENGs têm sido amplamente utilizados17,18 em diversas aplicações biomédicas, como terapia do câncer19, marcapasso20, monitoramento de glicose21, sensores22,23, detecção de íons24, bem como em dispositivos para estimulação muscular25 devido à sua considerável potência de saída, baixo peso, fácil fabricação processo com baixo custo, compatibilidade ambiental, seleção abundante de materiais disponíveis, disponibilidade universal e estrutura simples.

A medição de sinais eletrofisiológicos de músculos ou tecidos neurais é de grande importância no diagnóstico de muitas disfunções neuronais, enquanto a estimulação elétrica da medula espinhal e neurônios pode ser utilizada para o tratamento de certas doenças26,27. O dano ao sistema nervoso humano durante um acidente vascular cerebral ou lesões na medula espinhal resultaria em fraqueza ou atrofia dos músculos e poderia evoluir para paralisia28,29. A falta de inervação neuronal devido a danos neurológicos, promove incapacidade muscular de produzir as forças voluntárias necessárias para criar o movimento das articulações30. Assim, inúmeras investigações científicas têm focado nos dispositivos e estratégias para ajudar o corpo a restaurar a atrofia muscular, recuperar o movimento e a função muscular após lesão ou cirurgia30,31.