Chips implantáveis utilizando materiais biocompatíveis para interfaces cibernéticas avançadas
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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 obtenção...

Resumo: Embora a pesquisa em interfaces cérebro-maquina tem evoluído com velocidade espantosa, ainda pouco se tem feito com relação a obtenção
de soluções práticas e duradouras para os problemas estudados. A fim de usufruir
das 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 o
material semicondutor SiC (carbeto de silício). Nessa palestra serão
abordados 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 pesquisadores
da Universidade do Sul da Flórida/EUA e o ICMC.

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  • 1. Chips implantáveis utilizando materiais biocompatíveis para interfaces cibernéticas avançadasMario StephenGazziro Saddow USP USF/EUA
  • 2. Utilização de interfaces cérebro-máquina Motora Sensorial http://www.artificialretina.energy. Direto via gov/ http://www.gizmag.com/retinal- Retina implant-treats- blindness/8841/picture/42306/córtex motor (experimental) Artificial Coclear (inicio comercialização ) L. R. Hochberg, Nature, vol. (120.000 pacientes) 442, no. 7099, 2006. http://www.alsn.mda.org/article/robotic- Tátil/Mot. caregiving-assistance-becoming-reality Estimulação Substituição Profunda Cibernética Parkinson e Dor http://www.brainharmonycenter.com/brain-facts.html P. Fromherz, 2003. Crônica http://www.dekaresearch. (80.000 pacientes) com/deka_arm.shtml
  • 3. Categorias de Interfaces Neurais mais comuns EEG Couro • Baixa relação sinal-ruído Cabeludo • Baixa largura de banda não-invasiva • Sem estimulaçãoECoG - eletrocorticografia Superfície • Boa relação sinal-ruído Cerebral • Boa largura de banda • Estimulação com baixa http://www.rcsed.ac.uk/journal/vol47_5/47500001.html Invasiva Intracortical seletividade Tecido • Boa relação sinal-ruídoM. A. L. Nicolelis, Neural • Boa largura de banda • Estimulação com altaProc. NAS USA,vol. 100, no. 19,2003.C. T. Nordhausen,Brain Res, vol. 637, Invasivano. 1-2, 1994.K. D. Wise, Proce.of the IEEE, vol. 96, seletividadeno. 7, 2008. Saddow et al.
  • 4. Problemas conhecidos cominterfaces 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.
  • 5. Utilização de interfaces cérebro-máquina Motora Sensorial http://www.artificialretina.energy. Direto via gov/ http://www.gizmag.com/retinal- Retina implant-treats- blindness/8841/picture/42306/córtex motor (experimental) Artificial Coclear (inicio comercialização ) L. R. Hochberg, Nature, vol. (120.000 pacientes) 442, no. 7099, 2006. http://www.alsn.mda.org/article/robotic- Tátil/Mot. caregiving-assistance-becoming-reality Estimulação Substituição Profunda Cibernética Parkinson e Dor http://www.brainharmonycenter.com/brain-facts.html P. Fromherz, 2003. Crônica http://www.dekaresearch. (80.000 pacientes) com/deka_arm.shtml
  • 6. Diferentes reações à lesão traumática causada pela inserção dos micro-eletrodosFonte: Indwelling Neural Implants Strategies for Contending with the In Vivo Environment
  • 7. Diferentes reações a lesão traumática causada pela inserção dos micro-eletrodosFonte: Indwelling Neural Implants Strategies for Contending with the In Vivo Environment
  • 8. Diferentes reações a lesão traumática causada pela inserção dos micro-eletrodosFonte: Indwelling Neural Implants Strategies for Contending with the In Vivo Environment
  • 9. Procurando alternativas ao Si: Fabricação do SiC Reator de SiC construído pela USF em 2006 Reator deInicia com Wafer deposição de vaporDe silício (2”) químico operando a 1350 ºC Pressão e temperatura controlados Filme de SiC sobre Si 7-10 µm/hora Saddow et al.
  • 10. Micro-eletrodo de 3C-SiC produzido na USF SiC 3C-SiC Ampliado 50x Saddow et al.
  • 11. Experimento com micro-eletrodo de SiC in vivo Eletrodos customizados: ~15µm espessura, 250µm largura (por perna) e 15 µm de espessura 3C-SiC curva mas Si 3C-SiC 7mm de comprimento não quebra! Silício (Si) • 3C-SiC comparado com Carbeto de Silicio Si e outros materiais Cúbico (3C-SiC) biocompatíveis Simulado (eletrodo removido) Poliimida • Pesquisa de substituição Diamante nanocristralino (NCD) de metal por carbono Pt (ou Au) sobre Ti (NCD) Saddow et al.
  • 12. Análise do tecido neural após 30 dias Silício 3C-SiCCD45 –Indicador deMicroglia/Macrófago -VERDEGFAP –Indicador deAstrócitosVERMELHOMAP2 –Indicador deMicrotúbulos(Dendritos/Axônios) - 3C-SiC Micro-AZUL Shard eletrodo Saddow et al.
  • 13. Análise do tecido neural após 30 dias Silício 3C-SiCCD45 –Indicador deMicroglia/Macrófago -VERDEGFAP –Indicador deAstrócitosVERMELHOMAP2 –Indicador deMicrotúbulos(Dendritos/Axônios) - 3C-SiC Micro-AZUL Shard eletrodo Saddow et al.
  • 14. Componentes fabricados a partir de SiC: LEDs Estrutura de suporte Condutores Deposição Interface com cristalina de conectores 6H-SiC, 3C-SiC LED verde eletrodo • 6H-SiC emite luz em ~ 550 nm (verde) Saddow et al.
  • 15. Componentes fabricados a partir de SiC: Transistores Saddow et al.
  • 16. Componentes fabricados a partir de SiC: Antenas Antena fabricada SiC Saddow et al.
  • 17. Uso de antenas: Absorção de energia pelo corpo FCC: 1.6 Watt/Kg MAX!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
  • 18. Desafios: “Espaço de trabalho”Vasos sanguíneos foram visualizadas através do preenchimentocom uma emulsão de plástico, após o qual o tecido cerebral foidissolvido (Zlokovic e Apuzzo, 1998). Difícil atingir áreas ideias paraposicionamento do chip e micro-eletrodos.
  • 19. Desafios: “Infiltrações”Chip apresentou infiltração após 14 semanas de implantação emanimal. Os dejetos infiltrados causam falha no funcionamento dochip (Zlokovic e Apuzzo, 1998). Infiltrações podem ocorrer pelaconexão entre o chip e os micro-eletrodos
  • 20. Proposta de parceria USP/USF através do Programa Ciência sem FronteirasModalidade 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)
  • 21. 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.
  • 22. 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).
  • 23. Papel da USP (ICMC e IFSC) na parceriaUma re-implementação doprojeto apresentado no paper aolado, mas dessa vez utilizandotecnologia de Carbeto de Sílicioseria um dos exemplos para umgrande passo na criação de pré-amplificadores bio-compatíveisdiretamente operando acopladosaos micro-eletrodos.Demais projetos podem fazeruso de antenas SiC e criar chipsbiocompatíveis e sem fios.
  • 24. Cronograma de Projeto e Vinda de PVEEtapa A: Projeto e fabricação de chips acoplados a eletrodos, ambosbiocompatíveis, encapsulados em plástico ou cerâmica, para experimentos com gânglios deneurônios in vitro;Etapa B: Projeto e fabricação de chips, eletrodos e encapsulamento biocompatíveis, paraexperimentos in vivo implantados no córtex de ratos C56BL/6, com fios.Etapa C: Projeto e fabricação de antenas, chips, eletrodos e encapsulamentobiocompatíveis, para experimentos in vivo implantados no córtex de ratos C56BL/6, sem autilização de fios (wireless).Etapa D: Validação d radiação específica absorvida (SAR) entre chip e antena, realizadaatravés de simulação e também com modelo de cabeça baseado em gelatina de ágar.
  • 25. Orçamento Proposto (1 ano de projeto)
  • 26. 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.
  • 27. Primeira visita do Prof. Stephen Saddow em 2010
  • 28. FIM