Sensor Biomimético de Membrana Basilar Coclear Autossuficiente Usando Nanogerador Triboelétrico para Alta Seletividade de Frequência

Resumo

A perda auditiva neurossensorial permanece a deficiência crônica mais prevalente, afetando indivíduos de todas as idades. Implantes cocleares tradicionais são volumosos, requerem fontes de energia externas e limitam o conforto do paciente. Introduzimos um novo sensor coclear biomimético que emula a mecânica seletiva em frequência da membrana basilar e colhe energia acústica através de um nanogerador triboelétrico (TENG). O dispositivo incorpora nove eletrodos de prata dispostos trapezoidalmente em membranas duplas de politetrafluoretileno (PTFE), alcançando picos de ressonância distintos em todo o espectro audível (20–3000 Hz). Sua operação autossuficiente, derivada de vibrações induzidas por som, oferece uma alternativa compacta e amigável para reabilitação auditiva.

Contexto

Mundialmente, a perda auditiva neurossensorial surge de idade, exposição a ruído, drogas ototóxicas e trauma, comprometendo a discriminação de frequência e a comunicação diária. A membrana basilar da cóclea separa ondas sonoras por frequência e traduz vibrações mecânicas em impulsos elétricos que estimulam nervos auditivos. Implantes convencionais convertem sinais acústicos em pulsos elétricos via processador externo e array de eletrodos implantado, mas sobrecarregam pacientes com hardware visível e fontes de energia externas.

Sensores acústicos micro e nanoescala recentes tentaram replicar a seletividade coclear usando tecnologias piezoelétricas ou de microfeixes, mas sofrem de baixa tensão de saída, fabricação complexa e cobertura de frequência limitada. Nanogeradores triboelétricos (TENGs) oferecem alternativa atraente, convertendo movimento mecânico em sinais elétricos significativos com complexidade mínima. Sua sensibilidade a variações de frequência os torna ideais para projetar um substituto coclear autossuficiente e seletivo em frequência.

Métodos/Experimental

O design do sensor espelha a geometria trapezoidal da membrana basilar coclear, permitindo que a frequência de ressonância local varie ao longo da membrana. O dispositivo compreende duas placas de acrílico de 120 mm × 60 mm × 4 mm com uma fenda trapezoidal central (base 30 mm, topo 10 mm, altura 100 mm). Duas membranas de PTFE de 20 µm de espessura, cada uma 120 mm × 60 mm, são posicionadas em ambos os lados de um espaçador de Kapton de 20 µm, que define um estreito intervalo e define o limiar de pressão acústica. Nove eletrodos de prata de 4 × 8 mm (≈200 nm de espessura) são depositados por sputtering na superfície superior do PTFE, numerados #1 (base) a #9 (topo). Os eletrodos estão espaçados 10 mm no plano, garantindo interferência mecânica mínima.

Respostas de vibração foram medidas com vibrômetro laser Doppler (LDV) entre 100–3000 Hz, enquanto a saída de tensão triboelétrica foi registrada usando pré-amplificador e osciloscópio. Um alto-falante calibrado entregou ondas acústicas senoidais em pressões variadas. Simulações COMSOL Multiphysics modelaram padrões de deslocamento da membrana em frequências selecionadas (300 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz) para validar observações experimentais.

Resultados e Discussão

O aumento da pressão sonora amplificou linearmente tanto a amplitude de vibração nos eletrodos #2, #5 e #8 quanto a tensão triboelétrica correspondente (Fig. 3). Esta linearidade confirma a capacidade do sensor de quantificar intensidade acústica através de leitura elétrica.

Testes dependentes de frequência revelaram picos de ressonância distintos para cada eletrodo: eletrodo #2 pico a 200 Hz, #5 a 1030 Hz e #8 a 1850 Hz, com tensões de pico atingindo 104 mV. O deslocamento de ressonância em direção a eletrodos de número maior com aumento de frequência reproduz a organização tonotópica da membrana basilar (Fig. 4d). Ambos os espectros de amplitude de vibração e saída de tensão se sobrepuseram estreitamente, sublinhando a eficiência de transdução mecânico-elétrica dual do sensor.

Simulações COMSOL (Fig. 5) demonstraram que o deslocamento máximo da membrana de PTFE move-se da base em direção ao topo à medida que a frequência sobe, corroborando achados experimentais. O mecanismo triboelétrico opera por eletrificação de contato entre o PTFE superior e o PTFE inferior revestido de prata sob pressão sonora, seguido por indução eletrostática conforme as membranas se separam, gerando pulsos de tensão mensuráveis (Fig. 6).

Conclusões

Demonstramos um substituto coclear autossuficiente e seletivo em frequência que replica a mecânica da membrana basilar usando uma membrana de PTFE trapezoidal integrada a um nanogerador triboelétrico. O array de nove eletrodos fornece picos de ressonância distintos em toda a faixa audível, permitindo discriminação precisa de frequência. Resultados experimentais e de elementos finitos confirmam que a amplitude de vibração local e a tensão triboelétrica pico em frequências correspondentes, mimetizando a tonotopia coclear. Esta plataforma de baixo custo, pronta para implante, oferece alternativa promissora para tratar perda auditiva neurossensorial sem necessidade de energia externa ou hardware volumoso.

Abreviações

LDV

Sistema de medição por vibrômetro laser Doppler

PM

Membrana de politetrafluoretileno

PTFE

Politetrafluoretileno

TENG

Nanogerador triboelétrico