Technology that restores tactile sensation in damaged nerve regions - Tecnología que restablece la sensación táctil en regiones de nervios dañados.

There are injuries, such as accidentally cutting a finger with a knife, that can result in loss of tactile sensation due to nerve damage, and although there are some solutions to restore tactile sensation, such as surgical reconstruction of the nerve through nerve autografts, among others, its success rate is low.

Existen lesiones, por ejemplo cortarse un dedo accidentalmente con un cuchillo, que pueden ocasionar pérdida de la sensación táctil por haberse dañado un nervio, y aunque existen algunas soluciones para restaurar la sensación táctil, como la reconstrucción quirúrgica del nervio mediante autoinjertos nerviosos, entre otras, su tasa de éxito es baja.

In the search for better solutions, researchers focused on the development of a flexible, durable and small device, made of a biocompatible material, to avoid damage to the tissue surrounding the implant and with a wide range of sensitivity, corresponding to normal human pressure perception, as well as simple in design and implantation.

En la búsqueda de mejores soluciones, investigadores se enfocaron en el desarrollo de un dispositivo flexible, duradero y pequeño, fabricado con un material biocompatible, para evitar que se dañe el tejido que rodea al implante y con una amplia gama de sensibilidad, correspondiente a la percepción normal de la presión humana, además de simple en el diseño y la implantación.

The technology on which the research focused was the triboelectric nanogenerator (TENG), which converts mechanical energy into electricity by a conjunction of triboelectrification and electrostatic induction (using the triboelectric effect). The device is implanted under the skin (for example, of a desensitized finger), and when tactile pressure is applied to the device, an electrical signal is generated and transmitted via insulated wires to a stimulation electrode wrapped around the nearest undamaged nerve fiber, which transduces a tactile sensation signal to the central nervous system, that is, transforms touch into voltage that is transduced to healthy sensory nerves to excite peripheral neurons proportional to the pressure applied to the device.

La tecnología en la que se centró la investigación fue la del nanogenerador triboeléctrico (TENG), que convierte la energía mecánica en electricidad mediante una conjunción de triboelectrificación e inducción electrostática (utilizando el efecto triboeléctrico). El dispositivo se implanta bajo la piel (por ejemplo, de un dedo desensibilizado), y al aplicar presión táctil al dispositivo, se genera una señal eléctrica que se transmite mediante cables aislados a un electrodo de estimulación envuelto alrededor de la fibra nerviosa no dañada más cercana, que transduce una señal de sensación táctil al sistema nervioso central, es decir, transforma el tacto en voltaje que se transduce a los nervios sensoriales sanos para excitar las neuronas periféricas de forma proporcional a la presión que se aplica sobre el dispositivo.

Credits/créditos: Shlomy et al. (2021) (ACS Nano) CC BY 4.0.

The device is composed of positive and negative dielectric materials placed on top of a metal electrode. Polydimethylsiloxane (PDMS) as the negatively charged dielectric material and cellulose acetate butyrate (CAB) as the positively charged layer. For the metal they used a thin layer of gold (Au), which was evaporated on kapton (Kapton) to achieve stability. Notably, the device does not require an external power source, such as batteries.

El dispositivo está compuesto de materiales dieléctricos positivos y negativos colocados encima de un metal que sirve de electrodo. El polidimetilsiloxano (PDMS) como material dieléctrico con carga negativa y acetato butirato de celulosa (CAB) como capa con carga positiva. Para el metal utilizaron una fina capa de oro (Au), que se evaporó sobre kapton (Kapton) para conseguir estabilidad. Cabe destacar que el dispositivo no requiere de una fuente de energía externa, como las baterías.

Credits/créditos: Shlomy et al. (2021) (ACS Nano) CC BY 4.0.

To test and validate the device, they used a rat model, performed a preliminary dissection to map the sensory nervous system of the rat's hind paw. The rats were divided into three groups: "control", in which no procedure was performed; "amputee", in which a segment of the left distal tibial nerve was removed; and "device", in which a segment of the left distal tibial nerve was removed and a device was implanted in the left hindfoot and connected with electrodes to the terminal part of the remaining portion of the left distal tibial nerve.

Para probar y validar el dispositivo, utilizaron un modelo de rata, realizaron una disección preliminar para mapear el sistema nervioso sensorial de la pata trasera de la rata. las ratas fueron divididas en tres grupos: "control", en el que no se realizó ningún procedimiento; "amputado", en el que se extirpó un segmento del nervio tibial distal izquierdo; y "dispositivo", en el que se extirpó un segmento del nervio tibial distal izquierdo y se implantó un dispositivo en el retropié izquierdo que se conectó con electrodos a la parte terminal de la porción restante del nervio tibial distal izquierdo.

Credits/créditos: Shlomy et al. (2021) (ACS Nano) CC BY 4.0.

After the rats recuperated from surgery, their movement was monitored and the sensation of the rats was measured by applying an increasing force to the rat's paw from below (upon sensing the force, the rat lifted its paw). The rats in the "device" group responded to a much lower amount of force compared to the "amputee" group. The amount of force required for the "control" group was similar to that of the "device" group.

Después de que las ratas se recuperaron de la cirugía, se monitoreó su movimiento y midió la sensación de las ratas aplicando una fuerza creciente a la pata de la rata desde abajo (al percibir la fuerza, la rata levanta su pata). Las ratas del grupo "dispositivo", respondieron a una cantidad de fuerza mucho menor en comparación con el grupo "amputado". La cantidad de fuerza requerida para el grupo "control" fue similar a la del grupo "dispositivo".

Overall, the research demonstrated the in vivo functionality of a device to restore tactile sensation.

En general, la investigación demostró la funcionalidad in vivo de un dispositivo para restaurar la sensación táctil.

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