[ad_1]
(Foco Nanowerk) La promesa de los dispositivos médicos implantables de transformar la atención sanitaria se ha visto atenuada durante mucho tiempo por limitaciones prácticas de rendimiento. Las baterías voluminosas requieren operaciones frecuentes de carga o sustitución, lo que puede provocar complicaciones. Estos resultados causan costos, morbilidad y frustración significativos, al tiempo que obstaculizan mayores avances en la miniaturización. A pesar de la intensa investigación y desarrollo, las soluciones de energía inalámbrica existentes siguen siendo inadecuadas dadas las complejas compensaciones entre la seguridad del paciente, la eficiencia de la transmisión y la vida útil del implante.
Ahora los investigadores han desarrollado una innovadora tecnología de recolección de energía dual que puede abordar estos desafíos actuales. Al combinar de forma segura el campo magnético y la energía ultrasónica, su nuevo dispositivo produce un rendimiento un 300% mayor que los dispositivos de última generación actuales. Este avance podría finalmente permitir una potencia inalámbrica sólida, allanando el camino para implantes más pequeños y más inteligentes.
Los investigadores publicaron sus resultados en Ciencias Energéticas y Ambientales (“Recolección simultánea de energía inalámbrica inducida por campo magnético y ultrasonido”).
![Cosecha de energía magnética y ultrasónica para alimentar de forma segura implantes médicos](https://www.nanowerk.com/spotlight/id64746_1.jpg)
El problema energético frena la tecnología de implantes
Los enfoques convencionales para alimentar dispositivos médicos implantables se basan predominantemente en sistemas de bobinas inductivas o baterías, cada uno de los cuales conlleva importantes desventajas. Por ejemplo, las bobinas de inducción sufren pérdidas rápidas de eficiencia cuando hay una desalineación o un aumento en la distancia entre el transmisor y el receptor, lo que las hace menos confiables y limita la practicidad de su uso en entornos corporales dinámicos.
Además, estos sistemas suelen funcionar a altas frecuencias (de 10 a 100 MHz), lo que puede provocar una absorción excesiva por parte de los tejidos corporales, lo que requiere compromisos entre la seguridad y la entrega de energía. Las baterías, por otro lado, presentan desafíos en términos de tamaño, longevidad y necesidad de reemplazo quirúrgico, así como el riesgo de infecciones y otras complicaciones.
Cosecha dual: combinación de energía magnética y acústica como fuentes de energía complementarias
«En nuestro nuevo estudio, describimos el descubrimiento de un innovador sistema de recolección dual que combina campos magnéticos y energía ultrasónica», dice el Dr. Sumanta Kumar Karan, investigadora postdoctoral de la Universidad Penn State y autora principal del estudio, dijo a Nanowerk. “Ninguno de los dos podría proporcionar suficiente energía para alimentar de forma segura los implantes por debajo de los límites de seguridad. Sin embargo, en conjunto, sus ventajas complementarias permiten grandes avances en el rendimiento”.
El equipo creó un disco piezoeléctrico miniaturizado equipado con capas magnetoestrictivas. Este novedoso dispositivo puede convertir simultáneamente campos magnéticos y ondas acústicas ultrasónicas en electricidad mediante efectos magnetoeléctricos y piezoeléctricos a baja frecuencia de funcionamiento (~250 kHz).
La energía magnética y ultrasónica debilita mucho menos el tejido orgánico penetrante que la radiación electromagnética u óptica. De este modo, los transmisores y el receptor implantado pueden mantener una intensidad suficiente para una transmisión eficiente de energía a mayores profundidades. Pero quizás lo más importante es que la recolección combinada mantiene la exposición dentro de los límites de bioseguridad reconocidos para ambas modalidades. En lugar de luchar con los estrictos límites de los límites de intensidad, el enfoque dual distribuye la carga eléctrica entre dos fuentes subutilizadas.
Registra más de 50 milivatios de potencia de salida en pruebas de laboratorio y de tejidos.
En pruebas de aire y agua, el prototipo del Generador Dual de Magneto-Ultrasonido (MUDG) logró una potencia ultra alta de 52,1 mW. Ningún método inalámbrico anterior había logrado tales valores en condiciones comparables. Este hito se logró con una exposición al flujo magnético de 500 mT y 675 mW/cm2 Intensidad del ultrasonido: ambos están muy por debajo de las regulaciones del cuerpo humano definidas por IEEE y FDA. De hecho, incluso suponiendo convertidores mucho más grandes, el rendimiento podría escalar a más de 100 mW antes de que surjan limitaciones.
«Cabe destacar que nuestros resultados también se mantuvieron de manera impresionante cuando se trató de demostrar la viabilidad de los implantes en la práctica», enfatiza Karan. «En ex-vivo En los experimentos, incorporamos prototipos en muestras de tejido animal con un tamaño de hasta 22 x 40 mm y un espesor de 15 mm. A pesar del entorno desafiante, el dispositivo alcanzó más de 50 mW, suficiente para recargar rápidamente varias baterías de diferentes capacidades por debajo del límite de seguridad en poco tiempo”.
Este rendimiento promete permitir que los dispositivos implantados funcionen de forma verdaderamente continua sin tener que volver a abrirlos al paciente. El sistema podría incluso optimizar el equilibrio entre las entradas acústicas y magnéticas para optimizar la eficiencia para una profundidad de implante determinada.
Amplias aplicaciones más allá de la atención sanitaria: potenciando redes de sensores e infraestructuras inteligentes
Más allá de simplemente alimentar implantes médicos de próxima generación, los investigadores sugieren otros usos potenciales tentadores para su invención. Su robusta transmisión de energía inalámbrica y su tamaño miniaturizado lo hacen ideal para redes de sensores distribuidos y dispositivos de Internet de las cosas.
Estos podrían monitorear la integridad de la infraestructura en áreas de difícil acceso, rastrear métricas ambientales o formar redes de sensores inteligentes autosuficientes que transmitan datos sin baterías ni cableado. La versatilidad de la recolección de energía dual también facilita la flexibilidad en el uso en el mundo real. Una entrada podría cargar el dispositivo dependiendo de qué tipo de fuente ambiental sea más común en esa ubicación en particular.
En camino hacia implantes aún más pequeños y potentes
Si bien se trata de un avance importante, los inventores están identificando formas de perfeccionar aún más el avance. La integración de componentes acústicos y piezoeléctricos personalizados podría aumentar la eficiencia. La adaptación de impedancia entre capas ayudaría a minimizar la reflexión y la pérdida de señal en cada interfaz. Aunque la encapsulación de polímeros alrededor de los prototipos es altamente biocompatible, también podrían usarse metamateriales exóticos para proteger los dispositivos implantados de reacciones bioquímicas y del reconocimiento por parte del sistema inmunológico.
Además, sigue siendo posible una mayor miniaturización mediante el uso de películas piezoeléctricas más delgadas y geometrías optimizadas. De hecho, superar el volumen excesivo de dispositivos ha obstaculizado la innovación. Esta plataforma finalmente ofrece un rendimiento escalable para avanzar en funciones, desde la estimulación de nervios individuales hasta el control inalámbrico de funciones de órganos, abriendo una perspectiva inexplorada para funciones desde biochips programables hasta órganos cibernéticos completos.
Ahora que los dispositivos implantados más inteligentes ya no son una quimera, este nuevo paradigma de recolección dual podría abrir horizontes médicos apasionantes.
Los investigadores continúan mejorando su innovador invento y trabajando con socios para, en última instancia, traducirlo a la práctica clínica. Aunque aún se necesita más confirmación, su solución innovadora sugiere que finalmente se puede superar el problema energético que obstaculiza las aplicaciones de implantes tanto en el ámbito sanitario como en otros ámbitos. Dispositivos que alguna vez fueron inimaginables pronto pueden convertirse en realidades que salvan y cambian vidas.
Otros investigadores contribuyentes de Penn State incluyeron a Bed Poudel, profesor de investigación en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales; Haoyang Leng ex estudiante de doctorado; Mehdi Kiani Profesor Asociado de Ingeniería Eléctrica; Sujay Hosur, estudiante de doctorado y Zeinab Kashani, ex estudiante de doctorado. También contribuyeron Kai Wang y Rammohan Sriramdas, ex profesores asistentes de investigación en Penn State, y Shashank Priya, vicepresidente de investigación de la Universidad de Minnesota y ex profesor de Penn State. También participan Andrew Patterson, profesor del Departamento de Ciencias Veterinarias y Biomédicas, y Anitha Vijay, tecnóloga de investigación.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
Nanowerk LLC
¡Conviértete en autor invitado de Spotlight! Únase a nuestro gran y creciente grupo de autores invitados. ¿Acaba de publicar un artículo científico o le gustaría compartir otros desarrollos interesantes con la comunidad de nanotecnología? Cómo publicar en nanowerk.com.
[ad_2]