Un magnet fără metale, implantabil și sigur, pentru monitorizare wireless
Cercetători din Statele Unite și China au dezvoltat un magnet biocompatibil, fără metale, care poate fi implantat în siguranță și poate genera semnale magnetice din interiorul corpului. Echipa condusă de Wubin Bai, de la Universitatea din Carolina de Nord, a arătat cum magnetismul poate apărea din rearanjarea atomilor în nitrura de carbon încălzită, ceea ce întărește cuplajul dintre electronii neîmperecheați. Rezultatele, publicate în Nature Materials, ar putea duce la noi tipuri de senzori wireless care oferă date medicale valoroase, fără radiații potențial dăunătoare.
Câmpurile magnetice sunt potrivite pentru monitorizarea medicală, deoarece pot pătrunde adânc în țesuturile vii și pot urmări wireless mișcările organelor în timp real, fără a supune corpul la radiații ionizante. Însă, după cum explică Bai, abordarea s-a dovedit mult mai puțin potrivită pentru senzorii purtabili sau implantabili. „Magneții puternici convenționali conțin de obicei metale care pot coroda sau rămâne în corp, în timp ce magneții fără metale au fost în general prea slabi pentru o detectare fiabilă prin țesut”, spune el.
În metale precum fierul, magnetismul apare atunci când momentele magnetice ale electronilor neîmperecheați sunt blocate într-o aliniere puternică pe distanță lungă. Deși acest comportament poate apărea și în compuși fără metale, cuplajul dintre electronii lor neîmperecheați este în general mult mai slab, astfel încât alinierea este ușor perturbată, iar materialele rămân doar slab magnetizate după îndepărtarea din câmpul magnetic extern.
O structură atomică rearanjată
În cercetări anterioare, echipa lui Bai a descoperit un efect care părea să contrazică această tendință. La încălzirea nitrurii de carbon la temperaturi de câteva sute de grade, materialul produce o cantitate mică de reziduu care atrage magnetic. Pentru a investiga efectul, cercetătorii au studiat materialul folosind o combinație de tehnici analitice avansate. Observațiile au arătat că încălzirea a îndepărtat unii atomi de azot din compus, lăsând în urmă situri care pot găzdui electroni neîmperecheați. Totodată, remodificarea structurii atomice a introdus un nou tip de structură de legătură, creând căi care au permis acestor electroni să se cupleze. Drept urmare, alinierea momentelor lor magnetice a putut persista chiar și după ce materialul a fost îndepărtat din câmpul magnetic extern.
Un plasture în formă de floare
Pornind de la această descoperire, echipa lui Bai a creat magnetul din nitrură de carbon grafitică tratată termic: un semiconductor format din straturi 2D suprapuse, cunoscut în special pentru capacitatea de a absorbi lumina vizibilă. „Am combinat acest material cu un polimer biodegradabil și cu proteine de mătase pentru a realiza un plasture moale care se pliază într-un tub îngust de livrare și se deschide ca o floare pe suprafața inimii”, descrie Bai.
Odată ce plasturele este plasat, o rețea de senzori magnetici purtați pe piele poate înregistra semnalul magnetic care crește și scade pe măsură ce plasturele este deplasat de fiecare bătaie a inimii. Semnalul este detectat complet wireless, astfel încât implantul nu are nevoie de baterie sau de conexiune prin cablu.
Când echipa a testat sistemul pe porci, acesta le-a permis să calculeze proporția de sânge pompată din principala cameră de pompare a inimii la fiecare bătaie. Estimările lor au fost apropiate de măsurătorile bine stabilite prin ultrasunete. Pe parcursul a patru săptămâni de monitorizare continuă, materialul s-a dovedit compatibil cu țesuturile vii ale porcilor, descompunându-se treptat în molecule netoxice.
Direcții pentru senzoristica medicală
În ansamblu, rezultatele arată cum un magnet fără metale poate furniza un semnal viabil din punct de vedere medical din interiorul corpului. Deși mai sunt necesare multe cercetări înainte ca tehnologia să poată intra în studiile clinice pe oameni, echipa lui Bai este încrezătoare în potențialul ei pentru monitorizarea medicală. „Acest lucru ar putea ajuta în cele din urmă medicii să urmărească mai continuu recuperarea după un infarct sau o intervenție chirurgicală, cu ajutorul unui implant temporar care nu necesită o operație ulterioară pentru îndepărtare”, spune Bai.
