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Apr 25, 2024

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 1644 (2023) Citar este artigo

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A pesquisa de novos dispositivos médicos implantáveis ​​é uma das áreas mais atraentes, porém complexas, no campo biomédico. A concepção e desenvolvimento de dispositivos suficientemente pequenos que funcionem num ambiente in vivo é um desafio, mas o encapsulamento bem sucedido de tais dispositivos é ainda mais desafiador. Os métodos padrão da indústria que usam vidro e titânio são muito caros e tediosos, e o encapsulamento de epóxi ou silicone é propenso à entrada de água, sendo a passagem do cabo o ponto de falha mais frequente. Este artigo descreve um método universal e direto para encapsulamento confiável de placas de circuito que atinja a conformidade com a ISO10993. Um molde de PVDF de duas partes foi usinado usando um centro de usinagem convencional de 3 eixos. Em seguida, a placa de circuito com passagem hermética foi colocada no molde e a resina epóxi foi injetada no molde sob pressão para preencher a cavidade. Finalmente, a biocompatibilidade foi ainda melhorada com um revestimento de polímero P3HT inerte que pode ser facilmente formulado numa tinta. A biocompatibilidade dos encapsulantes foi avaliada de acordo com a ISO10993. A resistência da solução apresentada em comparação com o envasamento de silicone e o envasamento de epóxi foi avaliada por submersão em solução salina tamponada com fosfato a 37 °C. O método proposto apresentou resultados superiores ao PDMS e ao envasamento simples com epóxi.

Nos últimos anos, uma parte distinta da investigação no campo biomédico prosseguiu o desenvolvimento e prototipagem de dispositivos médicos implantáveis, principalmente biossensores e actuadores (ou seja, neuroestimuladores). Nos dispositivos implantáveis ​​comercializados, os materiais mais comuns utilizados para encapsulamento são o vidro e o titânio devido à sua baixíssima permeabilidade à água e biocompatibilidade1. No entanto, a fabricação destes invólucros herméticos é tediosa e cara2, especialmente para pequenos protótipos destinados a fins de pesquisa.

Porém, ter um material hermético (ou quase hermético) e biocompatível que encapsula o dispositivo resolve apenas metade do problema. Com algumas exceções, todos os dispositivos médicos implantáveis ​​requerem passagens de cabos para expor elementos sensores ao tecido circundante ou para fornecer sinais de estimulação elétrica. A questão mais considerável é o isolamento dos componentes eletrônicos do ambiente externo. Projetos simples que encapsulam o dispositivo com cabos sem qualquer proteção contra entrada de líquidos são propensos à exposição dos componentes eletrônicos a líquidos. Isso pode ser limitado por escolhas cuidadosas de projeto e simulações FEM que podem detectar modos de falha, como fraturas e delaminação3.

Um artigo de revisão de. Ahn et al.2 fornecem uma visão geral sobre vários processos e materiais que são usados ​​ou poderiam ser usados ​​para fabricação de dispositivos médicos. Os materiais inorgânicos (como Al2O3, SiO2 dependem principalmente de ALD – “deposição de camada atômica” e/ou CVD – “deposição química de vapor” – que são caros e não estão amplamente disponíveis, especialmente para prototipagem em pequena escala ou mesmo protótipos únicos . Testes de longo prazo indicaram que o revestimento PDMS fino4 não fornece proteção suficiente contra umidade sem a chamada calafetagem PDMS que foi realizada pelo revestimento Parylene CVD. Outros polímeros que foram testados para encapsulamento biocompatível incluem poliimida (exigindo temperatura de 400 °C para atingir uma ligação bem-sucedida que limita as aplicações a circuitos integrados nus) e encapsulamento LCP (polímero de cristal líquido) que requer ligação térmica, incluindo aplicação de pressão. O PDMS é geralmente aplicado de duas maneiras - revestimento giratório para camadas finas e encapsulamento para camadas espessas.

Muitas pesquisas atuais em dispositivos implantáveis ​​recorrem ao simples envasamento de PDMS, pulverização direta ou revestimento com pincel5,6,7 de dispositivos totalmente montados. Embora este seja o método mais fácil, que também proporciona uma superfície macia e não traumatizante do implante, tem uma desvantagem inerente de permeabilidade muito elevada à água, cerca de duas ordens de grandeza superior à dos epóxis8. Além disso, criar passagens seladas em silicone é muito desafiador devido à energia superficial muito baixa e, portanto, à adesão a outros materiais9. A tensão mecânica da passagem flexível também pode levar a falhas prematuras, especialmente quando se utilizam polímeros que podem apresentar baixa energia superficial. Adesivos ou primers especiais geralmente devem ser usados ​​quando se deseja uma ligação à prova de falhas com vidro/metal/polímero. No entanto, isto introduz produtos químicos que podem prejudicar a biocompatibilidade do dispositivo. A combinação de alta permeabilidade ao vapor de água e baixa adesão aos substratos leva à formação de bolhas de ar na superfície dos componentes eletrônicos encapsulados, onde a água pode condensar e subsequentemente causar falhas prematuras7,10. Em circuitos eletrônicos digitais, a imunidade inerente dos barramentos de comunicação digital à corrente de fuga pode permitir a operação com algum líquido presente na placa, mesmo que isso reduza a vida útil do dispositivo devido à corrosão. Entretanto, circuitos analógicos sensíveis com entradas de alta impedância podem ser severamente afetados por uma pequena corrente de fuga. Quaisquer correntes de fuga também se traduzem diretamente em maior consumo de energia e, portanto, menor vida útil da bateria. Falhas devido à corrosão da placa de circuito impresso ou de componentes também são comuns7. Algumas pesquisas também utilizam embalagens de frascos de vidro com posterior encapsulamento de epóxi na abertura11, o que limita o formato do dispositivo.