ES2952738T3 - Dispositivos de contacto nervioso - Google Patents

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Abstract

Un material que comprende un polímero iónicamente conductor (ICP) colocado entre y en contacto directo con dos polímeros electrónicamente conductores (ECP). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivos de contacto nervioso
Campo de la invención
La presente invención se refiere a membranas poliméricas y estructuras compuestas, y a su uso en dispositivos de contacto nervioso.
Antecedentes de la invención
Los dispositivos electroquímicos necesarios para interactuar entre el tejido nervioso y los sistemas electrónicos en dispositivos protésicos y aplicaciones que implican estimulación eléctrica funcional dependen de la transmisión y el control adecuado de iones y electrones.
Los polímeros conductores iónicos (ICP) son materiales en los que el proceso de conducción depende principalmente de la transferencia de iones. Los ICP sólidos convencionales están tipificados en Nafion®, un conductor catiónico (de protones) basado en fluorocarburos que se ha convertido en el material estándar de la industria para la producción de pilas de combustible y electrolizadores de polímeros sólidos.
El documento GB2380055A divulga ICP hidrófilos que permiten la transmisión de iones de varios tipos, sobre todo protones (específicamente como iones hidronio en conductores ionoméricos catiónicos (CE), pero también incluyendo grupos OO en conductores iónicos de base alcalina (AE)). Estos materiales conductores iónicos han permitido la producción de pilas de combustible y electrolizadores MEA mejorados en los que se pueden controlar tanto las propiedades iónicas como las propiedades hidráulicas de la membrana conductora de iones.
Los polímeros conductores electrónicos (ECP) son bien conocidos y se entienden como materiales en los que el proceso de conducción depende principalmente de la transferencia de electrones. Entre los ECP se incluye el poliacetileno, que ha alcanzado conductividades eléctricas de 107 S/m que se aproximan a las de los metales comunes, mientras que los materiales comerciales suministrados como dispersiones en agua, por ejemplo, el polietilendioxitiofeno:sufonato de poliestireno (PEDOT:PSS, disponible comercialmente como Clevios 500; "Clevios" es una marca registrada), tienen una conductividad de 3x104 S/m y superan la conductividad del grafito utilizado habitualmente como conductor en las pilas de combustible. La biocompatibilidad del PEDOT:PSS no está demostrada, pero existen polímeros electrónicos biocompatibles.
En un dispositivo de contacto nervioso, es necesario transferir carga a través de la frontera entre un (electrodo) metálico y un tejido vivo (por ejemplo, para controlar un dispositivo protésico). Dado que la conducción metálica se basa en el flujo de electrones, y la conducción del tejido neural en el flujo de iones, tiene que producirse una transición que requiere una interfaz de electrodos.
Aunque tanto la propagación iónica como la electrónica implican el movimiento de partículas cargadas, la física de cada proceso es totalmente diferente; por ejemplo, los hilos metálicos son excelentes conductores electrónicos pero son totalmente ineficaces como sistemas de transmisión iónica; del mismo modo, los electrolitos líquidos se distinguen por unas excelentes propiedades de transmisión iónica pero una conductividad electrónica muy deficiente.
El documento GB2479449 proporciona un material de membrana que puede producirse formando una red interpenetrante (IPN) entre un ECP y un ICP hidrófilo. De este modo, se puede fabricar un conjunto electrodomembrana (MEA) en el que todos los componentes principales (excepto el catalizador) se sustituyen por materiales poliméricos. Es importante destacar que tales MEA no requieren presión externa para mantener el contacto entre los componentes, y la invención permite la construcción de MEA ligeros y dispositivos de contacto nervioso. Mediante una IPN, puede formarse una estructura compuesta mediante la cual la actividad iónica del tejido nervioso viable puede transformarse en una señal electrónica para su detección y utilización por equipos electrónicos, incluidos, entre otros, el control de dispositivos protésicos.
Sumario de la invención
Los dispositivos de contacto existentes son principalmente unidireccionales; aceptan información de los nervios, pero no facilitan la entrada de información en ellos. Por lo tanto, no hay retroalimentación de un dispositivo protésico a un nervio, por ejemplo.
Sorprendentemente, se ha comprobado que al unir un ECP en lados opuestos de un ICP (de tal forma que se forma una estructura "sándwich"), el material resultante puede actuar como un dispositivo de contacto nervioso que permite un flujo bidireccional de información. Por ejemplo, en el caso de una prótesis, la información puede fluir no sólo del tejido nervioso a la prótesis, sino también de la prótesis al tejido nervioso. Esto puede permitir esencialmente la entrada sensorial del miembro protésico al tejido nervioso.
La presente invención es un dispositivo de contacto nervioso que comprende un material que comprende un polímero conductor iónico (ICP) hidrófilo situado entre dos polímeros conductores electrónicos (ECP) y en contacto directo con ellos, y un dispositivo protésico que comprende, en una superficie destinada a entrar en contacto con nervios viables, un material como el definido en las reivindicaciones.
Descripción de la invención
La presente invención y su alcance se definen en las reivindicaciones adjuntas. La descripción más genérica de la invención se proporciona únicamente con fines ilustrativos. Las realizaciones no comprendidas en estas reivindicaciones son sólo por referencia. Aunque ningún material está exclusivamente restringido a uno u otro modo de conducción, a efectos prácticos las proporciones de conducción electrónica: iónica superiores a 20:1 (para un ECP) y 1:20 (para un ICP) permiten construir dispositivos operativos de eficacia aceptable.
Tal como se utiliza aquí, el término "material" debe entenderse que abarca materiales compuestos, como los utilizados de acuerdo con la invención. Por lo tanto, un "material" es preferiblemente un "material compuesto".
Tal y como se utiliza en el presente documento, el término "monómero" adopta su definición habitual en la técnica, por lo que se refiere a un compuesto molecular que puede unirse químicamente a otros monómeros para formar un polímero.
Tal como se utiliza en el presente documento, el término "polímero hidrófilo" se refiere a un polímero que se disuelve en agua cuando no está reticulado y absorbe agua y se hincha para formar un sólido elástico estable cuando está reticulado.
Un ICP hidrófilo puede producirse mediante procesos similares a los descritos en el documento GB2380055A, por ejemplo, disolviendo o mezclando los monómeros que forman el material conductor iónico (por ejemplo, AMPSA) en/con monómeros seleccionados para proporcionar propiedades hidrófilas (por ejemplo, pirrolidinona de vinilo (VP) y/o metacrilato de 2-hidroxietilo (HEMA) y/o acrilonitrilo (An )) y polimerizando y reticulando la mezcla de monómeros resultante por medios adecuados, incluyendo irradiación gamma, irradiación UV en presencia de un iniciador UV y agente reticulante adecuados o por polimerización térmica.
Cualquier ECP que sea biocompatible es adecuado para su uso en la invención. Por ejemplo, un ECP podría formarse a partir de la polimerización de aminoácido(s) electrónicamente activo(s) como la fenilalanina y/o el triptófano y/o la histidina y/o la tirosina. Copolímeros hidrófilos que contienen fenilalanina y triptófano son los preferidos. Asimismo, los copolímeros hidrófilos que contienen PED0T:PSS pueden ser adecuados para su uso en la invención, pero su biocompatibilidad aún no se ha demostrado.
Los conductores metálicos, como los que son necesarios en un dispositivo de contacto nervioso, pueden combinarse con un ECP para mejorar la eficacia global del MEA, por ejemplo, en un ejemplo, se forma una fina capa interpenetrada de ECP en la superficie de la membrana polimérica (preferiblemente una membrana ionomérica hidrófila) y, a continuación, se coloca un conductor metálico en forma de alambres discretos o una malla sobre el ECP, tras lo cual se deposita una segunda capa de ECP sobre el conductor metálico, estableciendo un buen contacto eléctrico y ofreciendo una medida de protección contra la corrosión para los componentes metálicos.
Los dispositivos de contacto nervioso que comprenden un material de la invención comprenden un polímero conductor iónico (ICP) hidrófilo situado entre dos polímeros conductores electrónicos (ECP) y en contacto directo con ellos.
En algunas realizaciones, el contacto directo se facilita mediante la aplicación de presión.
En algunas realizaciones, el polímero conductor iónico (ICP) está interconectado con cada polímero conductor electrónico (ECP) a través de una red interpenetrada.
Cuando la unión entre los componentes poliméricos es una red interpenetrada, el MEA resultante funciona sustancialmente sin necesidad de presión o soporte externo para mantener su estructura y los contactos eléctricos entre los componentes y sus capas. Esto puede ser ventajoso en circunstancias en las que es difícil mantener la presión sobre el material/dispositivo.
La invención proporciona un procedimiento para la formación de redes interpenetradas entre materiales poliméricos conductores iónicos y polímeros conductores electrónicos en los que la unión comprende una región interpenetrada, mediante la polimerización de un polímero a partir de una mezcla inicial de monómeros en contacto con el segundo material (ya sea a partir del ECP o del ICP). Las realizaciones de la invención son conjuntos electrodo-membrana ligeros y sustancialmente no metálicos para su uso en dispositivos de contacto nervioso.
Un material de la invención tiene preferentemente una conductividad de al menos 5x 10-2 S/m 5 x 102 S/m. Puede tener una densidad no superior a 1,8 g/cm3.
Existen dos vías para la producción de interfaces electrónico-iónicas. Las dos vías surgen porque es posible tomar como estructura base (sustrato) un material iónico hidrófilo o un material electrónico. En el primer caso, el material polimérico electrónico se polimeriza contra el material de base; en el segundo, es el material iónico el que se introduce como monómero o prepolímero y se polimeriza in situ contra el sustrato. Estos productos pueden parecer idénticos, aunque un análisis más detallado puede mostrar diferencias de rendimiento.
El documento GB2479449, describe cómo los polímeros electrónicamente activos pueden unirse a polímeros iónicamente activos.
La presente invención se basa en el hallazgo de que el flujo bidireccional de información es posible con los materiales de la invención. En el caso de una simple bicapa de ECP e ICP, cuando se coloca cerca de (o en contacto con) un nervio, el material debería experimentar un desequilibrio iónico suficiente para permitir que la electrónica acoplada al componente electrónico registre una señal transitoria. El resultado es un pequeño cambio de potencial en comparación con la estructura circundante (acuosa) que lentamente volverá a ser "neutra" a medida que la señal iónica decae.
Sin querer atarse a la teoría, el material tricapa de la invención permite disipar rápidamente cualquier desequilibrio de carga (de modo que pueda aplicarse un impulso de señal repetido). Esto permite recibir y transmitir una señal electrónica al tejido nervioso.
La especie de ion que se genera en el material de la invención (ICP) depende del material de la unión y de la solución acuosa utilizada para hidratar uno o más de los componentes poliméricos. Por ejemplo, si el sistema está hidratado en solución NaCl, entonces los portadores de carga predominantes dentro del conductor iónico son iones de sodio; si KCl es la solución hidratante, entonces resultarán iones K+.
Es posible y en algunas circunstancias ventajoso incorporar materiales catalizadores en o dentro de una o ambas interfaces.
La figura 1 es un esquema que ilustra la invención.
En algunas realizaciones, un material de la invención comprende un catalizador (típicamente Pt o similar en forma de polvo, fibras o película fina microporosa). Esto puede aumentar significativamente las opciones electroquímicas para el funcionamiento del dispositivo. En particular, puede reducir el potencial necesario para iniciar el funcionamiento del dispositivo como generador de iones o electrones. Esto se ilustra en la figura 2 (se muestra una única unión/interfaz). La región crítica de contacto está formada por la región interpenetrante (IP) entre los dos polímeros (es decir, entre el polímero hidrófilo conductor electrónico y el polímero hidrófilo conductor iónico). Es (i) permanente, (ii) flexible y (iii) permeable al gas, al agua y a los solutos.
En una realización preferente, el material ha sido pretensado. Preferentemente, el material pretensado es hidrófilo y/o reticulado. Preferiblemente, el material pretensado puede recuperar su forma original hidratándolo en agua. Estas estructuras pueden recuperar su forma original cuando se hidratan en agua o en soluciones acuosas adecuadas. La estructura resultante será mayor (al menos en una dimensión) debido a la absorción de agua durante el proceso de hidratación. Aunque el cambio de forma (recuperación) puede iniciarse por calentamiento, la recuperación de la forma activada por hidratación es particularmente apropiada para los sistemas biológicos porque procederá a la temperatura corporal normal.
Se pueden utilizar muchas formas y procedimientos de recuperación; sin embargo, una forma particular tiene un valor especial como dispositivo de contacto nervioso. En este caso, la región de unión se fabrica como una espiral apretada; después se pretensa en (por ejemplo) una tira recta; al hidratarse se "riza" y vuelve a adoptar la forma de espiral. En este ejemplo, el dispositivo puede plegarse alrededor de la fibra nerviosa, como se ilustra en la figura 3.

Claims (11)

REIVINDICACI0NES
1. Un dispositivo de contacto nervioso que comprende un material que comprende un polímero conductor iónico (ICP) hidrófilo situado entre dos polímeros conductores electrónicos y en contacto directo con ellos (EPC).
2. Un dispositivo de contacto nervioso según la reivindicación 1, en el que el contacto directo entre el polímero conductor iónico (ICP) hidrófilo y los polímeros conductores electrónicos (ECP) se facilita mediante la aplicación de presión.
3. Un dispositivo de contacto nervioso según la reivindicación 1, en el que el polímero conductor iónico (ICP) está entrelazado con cada polímero conductor electrónico (ECP) a través de una red interpenetrada.
4. Un dispositivo de contacto nervioso según la reivindicación 3, en el que el material se obtiene por polimerización de monómeros para formar cada EPC en contacto con el ICP.
5. Un dispositivo de contacto nervioso según la reivindicación 3, en el que el material se obtiene por polimerización de monómeros para formar el ICP en contacto con cada ECP.
6. Un dispositivo de contacto nervioso según cualquier reivindicación precedente, en el que el material tiene una 20 conductividad de al menos 5 x 10-2 S/m.
7. Un dispositivo de contacto nervioso según cualquier reivindicación precedente, en el que el ICP es hidrófilo y reticulado.
8. Un dispositivo de contacto nervioso según cualquier reivindicación precedente, en el que el material tiene forma de espiral.
9. Un dispositivo de contacto nervioso según cualquier reivindicación precedente, en el que el material ha sido pretensado.
10. Un dispositivo de contacto nervioso según la reivindicación 9, en el que el material tiene forma de espiral, y que ha sido pretensado en una tira sustancialmente recta, de manera que pueda plegarse alrededor de una fibra nerviosa.
11. Un dispositivo protésico que comprende, en una superficie destinada a entrar en contacto con nervios viables, un material como el definido en cualquier reivindicación anterior.
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