Los dispositivos portátiles e implantables aprovechan a los humanos como fuente de energía

3 de agosto de 2023 Por Red de contribuyentes de MDO Deja un comentario

La batería basada en glucosa del MIT utiliza el propio azúcar del cuerpo para generar electricidad, que podría alimentar implantes y sensores. [Imagen cortesía del MIT]

Los implantes y dispositivos médicos portátiles son cada vez más prominentes en una amplia gama de aplicaciones, como dispositivos de control de la salud e implantes biomédicos, que proporcionan mediciones continuas de biomarcadores y diagnósticos médicos. Basado en el crecimiento de la población de edad avanzada y los conocimientos adquiridos a partir de la pandemia, el cambio hacia el desarrollo de dispositivos portátiles y biosensores ha aumentado la necesidad de monitoreo de la salud en tiempo real, medicina personalizada y tecnología de punto de atención (POCT).

Durante la última década, se han logrado avances en el desarrollo de implantes y dispositivos médicos de próxima generación utilizando las últimas tecnologías que hacen que su uso sea barato y fácilmente disponible. Lo que normalmente tomaba horas para las pruebas de diagnóstico en un centro médico ahora se puede hacer de forma remota utilizando biosensores. A medida que más servicios de atención médica opten por la medicina personalizada, esos sensores se volverán tan comunes como los Fitbits y los relojes inteligentes. Según un informe de Facts & Factors, el mercado de la tecnología portátil superará los 380.000 millones de dólares en 2028 con una tasa de crecimiento anual compuesta del 18,5%.

Entonces, ¿qué es la tecnología médica portátil? La mayoría de nosotros hemos visto o utilizado dispositivos que monitorean y recopilan una serie de signos vitales de salud y regímenes de ejercicio e incluso pueden enviar esos datos a profesionales de la salud en tiempo real. Pueden ser rastreadores de actividad física y relojes inteligentes, pero otros, como monitores de ECG portátiles y sensores de presión arterial, no son tan comunes. El dispositivo Move ECG de Withing, por ejemplo, puede medir un electrocardiograma e incluso detectar fibrilación auricular y luego enviar datos al médico del usuario.

En 2019, Omron Health lanzó su HeartGuide, un monitor de presión arterial oscilométrico portátil. El reloj puede recopilar y almacenar hasta 100 lecturas, que pueden transferirse a la aplicación móvil HeartAdvisor para su revisión, comparación y optimización del tratamiento. Los biosensores también están cada vez más disponibles y pueden usarse sobre la piel o incluso como implantes o en forma de píldora inteligente. El biosensor portátil de Philips, por ejemplo, es un parche autoadhesivo que se coloca sobre la piel y proporciona varios datos biométricos, incluidos el movimiento, la frecuencia cardíaca, la frecuencia respiratoria y la presión arterial.

Los biosensores se remontan a 1962, cuando Leland Clark diseñó un sensor de glucosa basado en un electrodo de oxígeno, que se utilizaba durante las cirugías cardiovasculares. Desde entonces, se han realizado muchos avances en el campo de los biosensores a medida que han aparecido nuevas tecnologías. Los biosensores son dispositivos bioanalíticos que proporcionan información analítica cuantitativa y semicuantitativa específica al convertir reacciones o estímulos biológicos en señales mensurables.

Esos sensores se componen de tres componentes clave: un componente de detección biológica, un componente detector o transductor conectado y un sistema de procesamiento de señales. Ese biocomponente puede ser una enzima, un anticuerpo, una célula o muchos otros, mientras que el transductor se basa en el método de transducción, como el electroquímico, óptico, acústico o calorimétrico. En un contexto biomédico, los biosensores necesitan requisitos específicos antes de poder usarse internamente, siendo el primero la biocompatibilidad. Los sensores en aplicaciones de integración de la piel, por ejemplo, deben ser elásticos, flexibles y ultrafinos para adaptarse a la flexión y el movimiento natural del usuario.

Con ese fin, hay factores que presentan problemas en el desarrollo de biosensores y wearables médicos, especialmente aquellos que son implantables. En la parte superior de esa lista está la fuente de energía, ya que incluso las que se usan internamente requieren baterías, que tienden a ser grandes y voluminosas para sensores diseñados para uso a largo plazo. La buena noticia es que los científicos e investigadores han comenzado a desarrollar sistemas de energía que utilizan tecnologías de recolección de energía, que podrían alimentar esos biosensores casi indefinidamente.

Uno de los desafíos importantes de los dispositivos médicos que funcionan con baterías es la autonomía. Un número cada vez mayor requerirá mayor duración de la batería y potencia, pero los dispositivos internos tienen limitaciones de espacio y baterías más grandes no son viables. Con los nuevos avances, esas voluminosas baterías se pueden reemplazar utilizando tecnologías de recolección de energía. Se están diseñando dispositivos portátiles y biosensores que solo requieren una pequeña cantidad de corriente para detectar, almacenar y transmitir funciones vitales, y la recolección de energía puede proporcionar suficiente energía para que funcionen durante largos períodos.

Existen muchos métodos de recolección que se pueden emplear para esos dispositivos médicos según la aplicación. Uno es el efecto triboeléctrico, que produce cargas superficiales en un par de materiales diferentes cuando entran en contacto y se separan. Estos sistemas requieren un número mínimo de componentes: dos capas de material triboeléctrico, separación física entre ellas y electrodos para recoger la electricidad. Otros incluyen la recolección de energía térmica, energía vibratoria, energía de RF, energía de movimiento e incluso la incorporación de supercondensadores para almacenar esa energía cuando el usuario no está realizando ninguna actividad.

La biopelícula de UMass utiliza bacterias para generar energía a través del sudor del usuario y puede alimentar pequeñas pantallas LCD. [Imagen cortesía de UMass]

La lámina flexible recolecta energía utilizando colonias de bacterias con microbios individuales conectados mediante una serie de nanocables naturales. Luego, un equipo graba con láser pequeños circuitos en la película, los intercala entre electrodos y los sella con un polímero transpirable, suave y pegajoso. La película produce suficiente energía a medida que el sudor del usuario se evapora para alimentar una pequeña pantalla LCD, aunque los investigadores están buscando formas de expandir esa potencia para impulsar dispositivos electrónicos y otros dispositivos portátiles.

Los científicos de la Universidad Estatal de Ohio también han aprovechado el poder del sudor utilizando un collar inteligente con biosensor. El sensor portátil detecta los niveles de glucosa excretados por la piel durante el ejercicio. El sensor utiliza un circuito de resonancia que refleja las señales de RF enviadas por un sistema lector externo. El acoplamiento de la interfaz del sensor y un oscilador inductor-condensador a través de un par de diodos varactor convierte un cambio en el potencial eléctrico en una modulación de la capacitancia, lo que resulta en un desplazamiento del circuito resonante. El collar sólo requiere una cantidad mínima de sudor para funcionar y tiene el potencial de detectar otros biomarcadores secretados a través de la piel.

Ingenieros de la Universidad Texas A&M han desarrollado un dispositivo que utiliza grafeno e inyecta corriente alterna en la piel para controlar la presión arterial. Apodados tatuajes electrónicos de grafeno, la serie de sensores de grafeno adhesivos pueden rastrear la salud cardiovascular a través de un monitoreo continuo que recopila mediciones de la presión arterial durante diversas situaciones, incluido el ejercicio, el sueño y situaciones de alto estrés. Los tatuajes funcionan inyectando corriente alterna en la piel del usuario y luego analizando la respuesta para determinar la bioimpedancia. Al medir los niveles de presión arterial durante horas en lugar de una o dos veces al día, los profesionales sanitarios pueden eliminar cualquier ruido en los datos, lo que proporciona una imagen más precisa de la presión arterial del usuario.

Los científicos de la Universidad Tecnológica de Georgia desarrollaron un pequeño sensor inalámbrico que puede implantarse en los vasos sanguíneos del cerebro para controlar la curación de los aneurismas. El sensor funciona sin baterías y puede envolverse alrededor de stents o desviadores implantados para controlar el flujo sanguíneo. El sensor se fabrica mediante impresión 3D por chorro de aerosol para producir trazas de plata conductoras sobre sustratos elastoméricos. Los sensores se insertan a través de un catéter y utilizan el acoplamiento inductivo de señales para permitir la detección inalámbrica de la hemodinámica del aneurisma cerebral biomimético. Una bobina capta la energía electromagnética transmitida desde otra bobina ubicada fuera del cuerpo. Cuando la sangre fluye a través del stent, el sensor implantado cambia su capacitancia y altera las señales que pasan a través del sensor a una tercera bobina fuera del cuerpo.

Ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts han desarrollado una novedosa batería alimentada por glucosa que mide sólo 400 nanómetros de espesor, o aproximadamente 1/100 del diámetro del cabello humano. La batería (que se muestra en la parte superior de esta publicación) puede generar alrededor de 43 microvatios por centímetro cuadrado de electricidad y soportar temperaturas de hasta 600 ° C. Esto significa que puede soportar el proceso de esterilización a alta temperatura de la mayoría de los dispositivos implantables. La batería fue diseñada utilizando un sustrato cerámico ultrafino y una solución de glucosa, que también proporciona un nivel de flexibilidad, lo que facilita su colocación dentro del cuerpo.

La batería tiene un diseño de tres capas utilizando la parte superior como ánodo, un electrolito en el medio y una parte inferior que actúa como cátodo. El ánodo reacciona con la glucosa transformando el azúcar en ácido glucónico y liberando un par de protones y electrones. El electrolito del medio actúa como separador de protones y electrones, conduciendo los protones a través de una pila de combustible, donde se combinan con el aire para producir agua inofensiva. La capa inferior proporciona conectividad eléctrica, lo que hace que la batería de azúcar sea segura para su funcionamiento dentro del cuerpo.

Estos son sólo algunos de los avances realizados para aprovechar la energía para dispositivos médicos portátiles e implantables. A medida que se disponga de tecnología más nueva, sin duda seguirán diseños médicos innovadores, que harán que los dispositivos de recolección de energía sean más eficientes con mayor potencia. Al incorporar los sensores más precisos a esa tecnología, los ingenieros podrían proporcionar a los usuarios el control sanitario más avanzado. También podría tener el potencial de revolucionar la atención sanitaria al permitir a los pacientes adoptar un enfoque más proactivo respecto de su salud y bienestar.

Brian Santo es director de contenidos de Publitek y se especializa en electrónica avanzada y tecnologías emergentes. Santo fue anteriormente editor en jefe de EE Times y ha escrito sobre tecnología durante más de 30 años a través de publicaciones que incluyen Electronic News, IEEE Spectrum y CED.

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