Estudo comparativo de atuadores capacitivos para implantes ativos

Abstract

Para o desenvolvimento de implantes instrumentados ativos, dotados de capacidade para controlar a sua integração com os tecidos ósseos circundantes, é necessário analisar o comportamento de sistemas de atuação terapêutica. Estudos anteriores observaram o potencial osteogénico da estimulação eletromagnética e, em particular, usando estimuladores capacitivos. O objetivo deste estudo é analisar comparativamente as características dos estímulos aplicados a meios celulares osteoblásticos, em estados de alta e baixa confluência, por vários sistemas de atuação capacitiva: uma configuração em paralela e quatro em co-superfície (padrão listado, interdigitada 1.0, interdigitada 2.0 e circular). Para tal utilizou-se o software Comsol, onde através da física “magnetic and eletric fields” foi possível conduzir a simulação do estimulo aplicado ao meio celular. A excitação aplicada aos elétrodos tratou-se de um sinal sinusoidal, de amplitude 10 V e frequências de 14 Hz e 60 kHz. Foram simulados os modelos reais, referentes a sistemas testados experimentalmente in vitro e modelos simplificados, compostos apenas por 3 elétrodos. Concluiu-se que: (1) para todas as configurações testadas se atingiram magnitudes de campos elétricos e magnéticos capazes de potenciar as três fases de maturação dos osteoblastos (proliferação, diferenciação e mineralização) quando comparado com outros estudos in vitro; (2) O estado de confluência não altera significativamente os estímulos elétricos e magnéticos aplicados ao meio celular; (3) a magnitude dos estímulos varia proporcionalmente com a amplitude da excitação aplicada aos elétrodos; (4) Recorrendo a altas frequências o campo elétrico não se anula sob os elétrodos-ânodo, exceto para configurações com elétrodos de espessura reduzida; (5) Os valores máximos de campo magnético encontram-se sempre entre as interfaces dos elétrodos e se suficientemente próximos entre as interfaces elétrodo-placa de Petri; (6) Com a diminuição da espessura verifica-se um padrão mais definindo do campo magnético nas interfaces dos elétrodos-cátodo e elétrodos-ânodo; (7) A replicabilidade dos campos elétricos e magnéticos é possível para estímulos de baixa frequência, para altas frequência apenas com os elétrodos de espessura reduzida tal se verifica, nos restantes ocorrem fenómenos nas altas frequências que impedem o uso de modelos simplificados para a análise da dinâmica eletromagnética. Ainda não é possível afirmar a melhor configuração de elétrodos a adotar mas com este estudo, realizando futuros ensaios in vitro e cruzando a resposta biológica com tais dados será possível concluir com mais precisão quais os melhores parâmetros e configurações que poderão vir a servir de atuadores capacitivos num implante instrumentado ativo.

For the development of active instrumented implants equipped with the ability to control their integration with the surrounding bone tissues, it is necessary to analyze the behavior of therapeutic actuation systems. Previous studies have observed the osteogenic potential of electromagnetic stimulation using capacitive stimulators. The purpose of this study is to analyze the characteristics of the stimuli applied to osteoblastic cellular media, in high and low confluence states, by several capacitive actuation systems: a parallel and four with a cosurfaced configuration (listed pattern, interdigitated 1.0, interdigitated 2.0 and circular). For this purpose, the Comsol software was used, where through the physics “magnetic and electric fields” it was possible to conduct simulation of the stimulus applied to the cellular medium. The excitation applied to the electrodes was a sinusoidal signal, amplitude 10 V and frequencies of 14 Hz and 60 kHz. A real model (like the experimentally tested in vitro systems) and a simplified one (composed only by 3 electrodes) were simulated. The outcomes were: (1) for all tested configurations, it was possible to reach magnitudes of electric and magnetic fields capable of enhancing the three stages of osteoblasts maturation (proliferation, differentiation and mineralization) when compared to other in vitro studies; (2) The state of confluence does not significantly alter the electrical and magnetic stimuli applied to the cellular environment; (3) the magnitude of the stimuli varies proportionally with the amplitude of the excitation applied to the electrodes; (4) Using high frequencies, the electric field does not cancel under the anode-electrodes, which is an exception for configurations with reduced-thickness electrodes; (5) Maximum magnetic field values are always between the electrode interfaces and between the Petri plate-electrodes interfaces, if they are close enough; (6) With the decrease of the thickness, a more defining pattern of the magnetic field is verified in the interfaces of the electrodes-cathode and electrodes-anode; (7) The replicability of the eletric and magnetic fields is possible for low frequency stimuli, for high frequency only with the low thickness electrodes that happens, in the others occur phenomena in the high frequencies that prevent the use of simplified models for the analysis of the dynamics electromagnetic fields. It is not yet possible claim what is the best configuration of eletrodes to be adopted, but with this study and by conducting future in vitro experiments and crossing the biological response with such data, it will be possible to, affirm, more precisely, which are the best parameters and configurations that could serve as capacitive actuators for active instrumented implants.