chips implantáveis utilizando materiais biocompatíveis para interfaces cibernéticas avançadas
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Resumo: Embora a pesquisa em interfaces cérebro-maquina tem evoluído com velocidade espantosa, ainda pouco se tem feito com relação a obtençãode soluções práticas e duradouras para os problemas estudados. A fim de usufruirdas vantagens descobertas até o momento, é crucial que uma solução de interface atenda os requisitos de biocompatibilidade de longo prazo, sem a utilização de fios ou baterias.Uma das possíveis soluções encontradas pela comunidade internacional tem sido omaterial semicondutor SiC (carbeto de silício). Nessa palestra serãoabordados o estado da arte nessa pesquisa - visando a fabricação de chips simples para implantes neurais - assim como será apresentada a proposta de parceria entre os pesquisadoresda Universidade do Sul da Flórida/EUA e o ICMC.TRANSCRIPT
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Chips implantáveis utilizando materiais biocompatíveis para interfaces cibernéticas
avançadas
Mario Gazziro
USP
StephenSaddow
USF/EUA
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Utilização de interfaces cérebro-máquina
Direto via córtex motor
(experimental)
Motora
SubstituiçãoCibernética
Sensorial
RetinaArtificial
(inicio comercialização )Coclear
(120.000 pacientes)
Estimulação
Parkinsone Dor
Crônica(80.000 pacientes)
L. R. Hochberg, Nature, vol. 442, no. 7099, 2006.
http://www.brainharmonycenter.com/brain-facts.html P. Fromherz, 2003.
http://www.dekaresearch.com/deka_arm.shtml
http://www.artificialretina.energy.gov/http://www.gizmag.com/retinal-implant-treats-blindness/8841/picture/42306/
http://www.alsn.mda.org/article/robotic-caregiving-assistance-becoming-reality
Profunda
Tátil/Mot.
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EEG
ECoG - eletrocorticografia
Intracortical
Couro Cabeludonão-invasiva
SuperfícieCerebral
Invasiva
TecidoNeuralInvasiva
• Baixa relação sinal-ruído• Baixa largura de banda• Sem estimulação
• Boa relação sinal-ruído• Boa largura de banda• Estimulação com baixa seletividade
• Boa relação sinal-ruído• Boa largura de banda• Estimulação com alta seletividade
M. A. L. Nicolelis, Proc. NAS USA, vol. 100, no. 19, 2003.C. T. Nordhausen, Brain Res, vol. 637, no. 1-2, 1994.K. D. Wise, Proce. of the IEEE, vol. 96, no. 7, 2008.
http://www.rcsed.ac.uk/journal/vol47_5/47500001.html
Categorias de Interfaces Neurais mais comuns
Saddow et al.
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Problemas conhecidos com interfaces cérebro-máquinas intracorticais
Em sua grande maioria, são formadas por uma matriz de eletrodos feita de silício.
Em geral, deixam de funcionar completamente (ou perdem muito de sua funcionalidade) em alguns meses.
Esses problemas ocorrem exclusivamente nas intefaces Motora e Tátil/Motora.
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Utilização de interfaces cérebro-máquina
Direto via córtex motor
(experimental)
Motora
SubstituiçãoCibernética
Sensorial
RetinaArtificial
(inicio comercialização )Coclear
(120.000 pacientes)
Estimulação
Parkinsone Dor
Crônica(80.000 pacientes)
L. R. Hochberg, Nature, vol. 442, no. 7099, 2006.
http://www.brainharmonycenter.com/brain-facts.html P. Fromherz, 2003.
http://www.dekaresearch.com/deka_arm.shtml
http://www.artificialretina.energy.gov/http://www.gizmag.com/retinal-implant-treats-blindness/8841/picture/42306/
http://www.alsn.mda.org/article/robotic-caregiving-assistance-becoming-reality
Profunda
Tátil/Mot.
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Diferentes reações à lesão traumáticacausada pela inserção dos micro-eletrodos
Fonte: Indwelling Neural Implants Strategies for Contending with the In Vivo Environment
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Diferentes reações a lesão traumáticacausada pela inserção dos micro-eletrodos
Fonte: Indwelling Neural Implants Strategies for Contending with the In Vivo Environment
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Diferentes reações a lesão traumáticacausada pela inserção dos micro-eletrodos
Fonte: Indwelling Neural Implants Strategies for Contending with the In Vivo Environment
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Procurando alternativas ao Si: Fabricação do SiC
Reator de deposição de vapor químico operando a
1350 ºCPressão e
temperatura controlados
Filme de SiC sobre Si7-10 µm/hora
Inicia com WaferDe silício (2”)
Reator de SiC construído pela USF em 2006
Saddow et al.
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Micro-eletrodo de 3C-SiC produzido na USF
Saddow et al.
Ampliado 50x
SiC
3C-SiC
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Experimento com micro-eletrodo de SiC in vivo
Eletrodos customizados:~15µm espessura, 250µm largura (por perna) e 7mm de comprimento
• 3C-SiC comparado com Si e outros materiais biocompatíveis
• Pesquisa de substituição de metal por carbono (NCD)
Silício (Si)
Carbeto de Silicio Cúbico (3C-SiC)
Simulado (eletrodo removido)
Poliimida
Diamante nanocristralino (NCD)
Pt (ou Au) sobre Ti
15 µm de espessura 3C-SiC curva mas
não quebra!Si 3C-SiC
Saddow et al.
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Análise do tecido neural após 30 dias
3C-SiCShard
Silício 3C-SiC
CD45 – Indicador de Microglia/ Macrófago - VERDE
GFAP – Indicador de Astrócitos VERMELHO
MAP2 – Indicador de Microtúbulos (Dendritos/ Axônios) -AZUL Micro-
eletrodoSaddow et al.
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Análise do tecido neural após 30 dias
3C-SiCShard
Silício 3C-SiC
CD45 – Indicador de Microglia/ Macrófago - VERDE
GFAP – Indicador de Astrócitos VERMELHO
MAP2 – Indicador de Microtúbulos (Dendritos/ Axônios) -AZUL Micro-
eletrodoSaddow et al.
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Interface com conectoresInterface com conectores
Estrutura de suporteEstrutura de suporte
3C-SiC eletrodo3C-SiC eletrodo
CondutoresCondutores
Deposição cristalina de 6H-SiC, LED verde
Deposição cristalina de 6H-SiC, LED verde
• 6H-SiC emite luz em ~ 550 nm (verde)
Componentes fabricados a partir de SiC: LEDs
Saddow et al.
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Componentes fabricados a partir de SiC: Transistores
Saddow et al.
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Componentes fabricados a partir de SiC: Antenas
Antena fabricada SiC
Saddow et al.
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Uso de antenas: Absorção de energia pelo corpo
Modelagem simulada de SARatravés de elementos finitos
Avaliação efetiva de SAR através de phantom, a procura de
hot-spots, visíveis em câmera de tele-termografia
FCC: 1.6 Watt/Kg MAX!
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Vasos sanguíneos foram visualizadas através do preenchimento com uma emulsão de plástico, após o qual o tecido cerebral foi dissolvido (Zlokovic e Apuzzo, 1998). Difícil atingir áreas ideias para posicionamento do chip e micro-eletrodos.
Desafios: “Espaço de trabalho”
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Desafios: “Infiltrações”
Chip apresentou infiltração após 14 semanas de implantação em animal. Os dejetos infiltrados causam falha no funcionamento do chip (Zlokovic e Apuzzo, 1998). Infiltrações podem ocorrer pela conexão entre o chip e os micro-eletrodos
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Proposta de parceria USP/USF através do Programa Ciência sem Fronteiras
Modalidade Pesquisador Visitante Especial• Atração de cientistas renomados e líderes de grupos de
pesquisa no exterior (1 à 3 meses por ano / de 2 à 3 anos)
• Vinda de pós-doutores da instituição do pesquisador visitante (de 6 à 12 meses)
• Envio de doutorandos (sanduíche) para a instituição do pesquisador visitante (de 3 à 12 meses)
• R$ 50.000,00 por ano para custeio do projeto (fora as bolsas)
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Papel da USF/EUA na parceria
• USF: Especificar os detalhes técnicos para o projeto dos transistores e antenas MOSFET em SiC, bem como parâmetros de dos mesmos na linguagem Verilog-A. Acompanhar o projeto de layout dos chips desenvolvidos na USP. Realizar a fabricação e encapsulamento dos chips, uma vez gerados os arquivos com as máscaras pela USP, utilizando tecnologia desenvolvida para a plataforma SiC. Enviar os chips encapsulados para testes in vitro na USP. Realizar testes in vivo na USF com os chips projetados.
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Papel da USP (ICMC e IFSC) na parceria
• ICMC: Detentor das licenças de software do programa universitário da empresa Mentor Graphics para projeto e fabricação de chips. Disponibilidade de recursos humanos especializados para projeto de hardware em linguagem Verilog (dentro da ementa do curso de engenharia de computação). Núcleo de matemática computacional para análise de elementos finitos aplicado a simulação de radiação absorvida.
• IFSC: Núcleos de pesquisa em neurociência aplicada, capaz de criarem demandas para projetos de chips, além de laboratórios especializados para realização de testes in vitro. Análise de radiação absorvida efetiva (utilizando por câmera de teletermografia em bonecos de gelatina - phantom de ágar).
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Papel da USP (ICMC e IFSC) na parceria
Uma re-implementação do projeto apresentado no paper ao lado, mas dessa vez utilizando tecnologia de Carbeto de Sílicio seria um dos exemplos para um grande passo na criação de pré-amplificadores bio-compatíveis diretamente operando acoplados aos micro-eletrodos.
Demais projetos podem fazer uso de antenas SiC e criar chips biocompatíveis e sem fios.
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Cronograma de Projeto e Vinda de PVE
Etapa A: Projeto e fabricação de chips acoplados a eletrodos, ambos biocompatíveis, encapsulados em plástico ou cerâmica, para experimentos com gânglios de neurônios in vitro;
Etapa B: Projeto e fabricação de chips, eletrodos e encapsulamento biocompatíveis, para experimentos in vivo implantados no córtex de ratos C56BL/6, com fios.
Etapa C: Projeto e fabricação de antenas, chips, eletrodos e encapsulamento biocompatíveis, para experimentos in vivo implantados no córtex de ratos C56BL/6, sem a utilização de fios (wireless).
Etapa D: Validação d radiação específica absorvida (SAR) entre chip e antena, realizada através de simulação e também com modelo de cabeça baseado em gelatina de ágar.
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Orçamento Proposto (1 ano de projeto)
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Conclusões
• O carbeto de silício se demonstra ideal para ser utilizado como material utilizado na fabricação (ou revestimento) de micro-eletrodos para interfaces cérebro-maquina.
• Os demais dispositivos (transistores, antenas, etc) também se demonstram totalmente funcionais para sua utilização como dispositivos biomédicos implantáveis.
• Por fim, uma eventual parceria entre a Universidade de São Paulo e a Universidade do Sul da Flórida no âmbito de serem projetados novos chips neurais biocompatíveis resultaria em benefícios para ambas as instituições.
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Primeira visita do Prof. Stephen Saddow em 2010
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FIM