À primeira vista, uma ferida pode parecer um problema simples: basta esperar que a pele se feche novamente. Porém, ao longo da cicatrização, as condições da ferida mudam continuamente. Acompanhar algumas dessas mudanças pode ajudar a entender se a recuperação está evoluindo adequadamente ou se começam a surgir sinais de complicações. Variações no pH, na quantidade de oxigênio e na umidade estão entre os sinais que podem revelar como o ferimento está evoluindo. Acompanhar essas alterações de perto pode ajudar a identificar precocemente possíveis complicações e orientar melhor os cuidados com a ferida, especialmente em pessoas que enfrentam dificuldades de cicatrização. É o caso, por exemplo, de pessoas com diabetes ou problemas circulatórios. Para elas, o que poderia ser uma lesão simples pode se transformar em uma preocupação prolongada.
Nesse contexto, o físico João Vitor Paulin, jovem investigador do Instituto de Geociências e Ciências Exatas da Unesp, no câmpus de Rio Claro, vem estudando a criação de curativos capazes de acompanhar as alterações nos indicadores dos ferimentos e alertar o usuário sobre o processo de cicatrização. O projeto “Sensores Neuromórficos para Diagnósticos Sustentáveis em Saúde” conta com o apoio da Fapesp e está em fase laboratorial. Esse tipo de dispositivo entra na seara das tecnologias eletrônicas inteligentes e vestíveis. Um exemplo comercial já bastante conhecido pelo público em geral são os sensores de glicose, pequenos dispositivos aplicados à pele que permitem acompanhar continuamente os níveis de açúcar no sangue e enviar essas informações para um celular, alertando o usuário quando os valores estão acima ou abaixo do esperado.
Tecnologias desse tipo apontam para uma transformação na forma de acompanhar a saúde: em vez de soluções baseadas na ideia de que “um único modelo serve para todos”, dispositivos vestíveis podem ser desenvolvidos para oferecer um acompanhamento mais personalizado e adaptado às necessidades de cada pessoa. Essa personalização, no entanto, traz novos desafios. Quando diferentes sinais precisam ser acompanhados continuamente, não basta apenas coletar informações: é necessário encontrar maneiras eficientes de identificar quais mudanças são realmente importantes e transformá-las em informações úteis para o acompanhamento da saúde.
O cérebro como inspiração
Grande parte das tecnologias atuais depende de dispositivos eletrônicos construídos com semicondutores convencionais e metais, bem como de sistemas computacionais de alto desempenho. Embora tenham possibilitado avanços importantes, essas arquiteturas apresentam limitações quando aplicações exigem funcionamento de forma contínua, com baixo consumo de energia e capazes de lidar com múltiplas informações ao mesmo tempo. É nesse ponto que entra a eletrônica neuromórfica, uma área que busca inspiração no funcionamento do cérebro e do sistema nervoso para desenvolver dispositivos capazes de processar informações de maneira mais integrada e eficiente.
Nos computadores convencionais, em linhas gerais, o sensor capta uma informação e a envia para uma unidade responsável por armazená-la e processá-la. No caso de sistemas neuromórficos, a própria estrutura do dispositivo pode combinar características de sensoriamento, processamento e armazenamento, aproximando-se de alguns princípios envolvidos no modo como as conexões entre neurônios funcionam no cérebro. Em uma sinapse biológica, a intensidade da conexão entre dois neurônios pode se modificar de acordo com os estímulos recebidos. Nas chamadas sinapses artificiais, os dispositivos são desenvolvidos para reproduzir esse comportamento: estímulos repetidos ou organizados em determinadas sequências podem aumentar ou diminuir a resposta elétrica do dispositivo, enquanto, em outros casos, a ausência de estímulos pode fazer com que essa resposta diminua gradualmente. Esse fenômeno é conhecido como plasticidade e é uma das bases do chamado aprendizado neuromórfico.
Na prática, isso significa que o dispositivo não precisa necessariamente tratar cada sinal como uma informação isolada. Ele pode considerar a frequência, a intensidade e a sequência dos estímulos para produzir uma resposta. É uma diferença importante em relação a um sensor convencional, que geralmente mede uma variável e transmite o resultado para outro sistema, onde o processamento e a tomada de decisão são realizados. Em uma arquitetura neuromórfica, parte desse processamento pode acontecer no próprio dispositivo, permitindo que ele responda de maneiras diferentes dependendo das características e da sequência dos sinais recebidos.
É a partir dessa perspectiva que João Vitor investiga a aplicação de dispositivos neuromórficos ao acompanhamento de feridas. A proposta é desenvolver uma tecnologia capaz de monitorar diferentes características do microambiente de uma lesão e, no futuro, reunir essas informações para acompanhar sua evolução. O objetivo é transformar as mudanças que acontecem na ferida e em seu microambiente durante a cicatrização em sinais que possam ser interpretados pelo dispositivo, criando uma forma mais contínua e personalizada de observar o processo de recuperação.
Curativo e sensor ao mesmo tempo
A ideia dos sensores de cicatrização surgiu justamente a partir dos resultados obtidos com um sensor de pH. Ao observar que o dispositivo apresentava uma boa resposta, João Vitor passou a considerar como diferentes fatores poderiam interferir no acompanhamento de uma ferida. O pH é um deles. “Mudanças no pH podem trazer informações importantes sobre a evolução da ferida. Em muitos casos, a diminuição do pH está associada ao avanço da cicatrização, enquanto valores mais elevados podem estar relacionados a feridas crônicas e a condições que favorecem a proliferação de bactérias”, conta o físico. Além desse indicador, a quantidade de oxigênio e a umidade também participam desse microambiente e podem influenciar a recuperação. A proposta, portanto, é reunir diferentes informações em um mesmo sistema para obter um acompanhamento mais específico da evolução do ferimento.
Para tornar isso possível, o grupo de pesquisa aposta em um pigmento natural também encontrado no nosso organismo: a melanina. No sensor desenvolvido em trabalhos anteriores, uma camada muito fina desse material é colocada sobre um eletrodo de grafeno. O grafeno funciona como um material condutor, enquanto a melanina atua como a parte sensível às mudanças do ambiente. Quando as condições do meio, como a umidade e o pH, mudam, podem ocorrer alterações nos estados químicos da melanina, produzindo uma resposta elétrica que pode ser medida pelo dispositivo. Assim, o material funciona como uma ponte entre características químicas do meio e a resposta elétrica do sensor.
Amostra de melanina, utilizada para a criação dos sensores. (Crédito: João Vitor Paulin)
Isso é possível graças às propriedades físico-químicas da melanina. Ela é redox-reativa, ou seja, seus grupos funcionais podem passar por processos de oxidação e redução dependendo das condições ao redor. “Quando a melanina passa por processos de oxidação e redução, suas propriedades eletrônicas mudam e o sensor consegue detectar essas alterações como uma variação de potencial”, conta João Vitor.
A combinação da melanina com grafeno foi testada no artigo “Printable and flexible graphene pH sensors utilising thin film melanin for physiological applications”, publicado na revista 2D Materials. Na pesquisa, os autores desenvolveram um sensor de pH flexível, produzido por meio de uma técnica de impressão que permite fabricar eletrodos de maneira simples e com potencial de produção em maior escala. O dispositivo utilizava o grafeno como eletrodo e uma fina camada de melanina como material sensível às alterações de pH.
Para avaliar o funcionamento do sensor, os pesquisadores realizaram medições em soluções com diferentes níveis de pH e acompanharam as alterações no potencial elétrico do dispositivo. O sensor revestido com melanina respondeu às mudanças de pH e manteve essa resposta de forma estável ao longo do tempo. Na faixa entre pH 5 e 8, considerada relevante para aplicações fisiológicas, o dispositivo apresentou sensibilidade de 62 ± 7 milivolts por unidade de pH. Em outras palavras, pequenas mudanças na acidez ou alcalinidade do meio eram suficientes para provocar uma alteração capaz de ser medida pelo sensor.
Os pesquisadores também quiseram verificar se o dispositivo continuaria funcionando diante de uma condição mais próxima daquela encontrada no organismo. Para isso, colocaram plasma sanguíneo obtido de voluntários saudáveis diretamente sobre os sensores e acompanharam sua resposta durante dez minutos. Após a exposição, os dispositivos foram lavados e novamente testados com soluções de pH conhecido. Os resultados mostraram que o contato com o plasma não impediu que os sensores respondessem às variações de pH, indicando que o dispositivo conseguia manter seu funcionamento mesmo após o contato com uma amostra biológica complexa. Esse resultado ajudou a demonstrar o potencial da tecnologia para aplicação em ambientes fisiológicos e abriu caminho para investigar seu uso em sistemas voltados ao acompanhamento de feridas.
Uma tecnologia em desenvolvimento
Esses resultados traçaram o caminho para a pesquisa atual. Graças a eles, foi possível demonstrar que a combinação entre grafeno e melanina pode produzir um sensor sensível e estável em condições relevantes para aplicações fisiológicas. Agora, o trabalho de João Vitor parte para uma etapa diferente: em vez de monitorar apenas o pH, a proposta é investigar como diferentes sinais do microambiente de uma ferida podem ser acompanhados pelo mesmo sistema. Para isso, ainda é necessário entender como os fluidos presentes na ferida, a umidade e outras características do organismo interferem nos materiais e no funcionamento dos dispositivos.
Por conta disso, o curativo ainda é uma proposta e está em fase de testes. A expectativa é que, no futuro, sensores incorporados a um material flexível junto à região da ferida possam acompanhar essas alterações continuamente e enviar os dados para um celular. Um detalhe importante é que o curativo não é, necessariamente, para indicar o fim do ferimento, mas, sim, para acompanhar sua evolução. “No caso de feridas associadas ao diabetes, por exemplo, dependendo das condições da lesão e do tipo de curativo utilizado, as trocas podem ser frequentes, às vezes até diariamente”, conta João Vitor. “Então, se conseguirmos identificar quando uma troca é realmente necessária, podemos evitar intervenções desnecessárias na ferida e contribuir para manter condições mais favoráveis ao processo de cicatrização”, conclui.
Além disso, outra expectativa é que, no futuro, o sistema possa ser integrado a mecanismos capazes de realizar a liberação controlada de fármacos quando necessário. “Se o sensor começar a indicar mudanças no microambiente da ferida, por exemplo, um aumento do pH associado a outros sinais, o sistema poderia identificar uma condição desfavorável e acionar a liberação controlada de algum agente capaz de combater a proliferação de bactérias, buscando favorecer novamente as condições para a cicatrização”, explica.
Segundo o físico, a eletrônica neuromórfica poderia contribuir para a etapa de interpretação desses sinais. Esses dispositivos poderiam ser desenvolvidos para modificar sua resposta conforme os estímulos que recebem, permitindo que o sistema reconheça determinados padrões e se adapte a eles. No artigo “Sustainable brain-inspired electronics: digging into natural biomaterials for healthcare applications”, publicado na revista RSC Sustainability, João Vitor descreve como esses dispositivos neuromórficos baseados em biomateriais podem ser “treinados” para se adaptar a diferentes situações e associar uma resposta a cada contexto. No caso do curativo, a ideia seria usar essa capacidade para relacionar as informações captadas pelos sensores às condições da ferida e, a partir delas, auxiliar o sistema a acionar uma resposta adequada.
Apesar da promessa do desenvolvimento de dispositivos mais sensíveis e personalizados, o pesquisador destaca que esses avanços permanecem em estágio laboratorial. Segundo ele, ainda há um longo caminho de testes e pesquisas para avaliar fatores como estabilidade, segurança, reprodutibilidade e possibilidade de produção em maior escala. Nesse processo, João Vitor busca, também, aperfeiçoar o que já foi aprendido para conseguir, por exemplo, desenvolver produtos mais sustentáveis. Para isso, atualmente o físico pesquisa como utilizar papel e outros materiais biocompatíveis como substratos para a impressão dos sensores, buscando alternativas do PET utilizado até então. E, além disso, a fabricação dos eletrodos também está sendo estudada com o uso de LIG, uma técnica que utiliza laser para produzir estruturas condutoras diretamente sobre materiais ricos em carbono. Por fim, outra possibilidade investigada é substituir parte dos eletrodos de prata por carbono, reduzindo a quantidade desse metal empregada no dispositivo.
Matéria: Malena Stariolo | Jornal da Unesp.
