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(Foco Nanowerk) Los dispositivos médicos implantables, como marcapasos y biosensores, han revolucionado el tratamiento de muchas enfermedades debilitantes y han mejorado la calidad de vida de millones de personas. Sin embargo, las baterías inadecuadas que alimentan estos dispositivos siguen siendo un obstáculo importante que impide seguir avanzando.
Los marcapasos, biosensores y otros dispositivos electrónicos internos del cuerpo actuales se basan predominantemente en baterías de litio convencionales o similares. Sin embargo, estas baterías tienen baja densidad de energía, lo que significa que deben recargarse con frecuencia, reemplazarse mediante procedimientos quirúrgicos invasivos o los implantes deben aumentarse para acomodar baterías más grandes. Ninguno de estos es ideal: las cirugías repetidas plantean riesgos y complicaciones para los pacientes, mientras que los dispositivos grandes pueden causar molestias y restringir los sitios de implante. Además, los electrolitos y electrodos tóxicos generan preocupación sobre la entrada de sustancias nocivas al cuerpo con el tiempo.
Estas deficiencias en las baterías que alimentan los implantes médicos están obstaculizando el desarrollo de dispositivos más pequeños, más inteligentes y más potentes.
Informar sus resultados en Materiales avanzados (“Una biobatería de magnesio y oxígeno inspirada en mitocondrias con alta densidad de energía in vivo”), los científicos han desarrollado una nueva biobatería inspirada en las mitocondrias productoras de energía en las células que podría proporcionar el impulso necesario para los implantes médicos.
En busca de una alternativa biocompatible y de alta energía, los investigadores de la Universidad de Nanjing recurrieron a las centrales eléctricas de nuestras células. Gracias a una estructura de doble membrana, las mitocondrias utilizan el oxígeno de manera eficiente. La membrana exterior porosa permite la entrada de oxígeno, mientras que la membrana interior menos permeable protege el interior productor de energía.
El equipo diseñó una biobatería con una doble membrana similar que encierra los componentes clave. El ánodo está hecho de magnesio biocompatible. Entre éste y un cátodo hecho de nanotubos de carbono recubiertos de platino se encuentra un electrolito de hidrogel que cataliza reacciones de oxígeno.
Un novedoso revestimiento de membrana interna de polímero y sílice hidrofóbico protege el ánodo de magnesio de la corrosión del agua. Las pruebas demostraron que reducía la velocidad de corrosión del ánodo unas diez veces. La barrera repelente al agua garantiza un rendimiento estable independientemente del tamaño de la batería o de la humedad ambiental.
La membrana exterior de la biobatería consta de una capa de fosfolípidos modificada. Inspirado en las membranas celulares, resiste la bioincrustación y permite el paso del oxígeno. Los experimentos confirmaron que el recubrimiento impedía que las proteínas sanguíneas comunes se pegaran en comparación con los materiales sin recubrimiento. Esto aumenta el rendimiento a largo plazo en fluidos biológicos.
La biobatería inspirada en las mitocondrias se implantó en ratones y logró una notable densidad de energía de 2517 vatios-hora por litro, según el volumen total del dispositivo. Esto es aproximadamente 2,5 veces mayor que las baterías de litio comerciales para dispositivos médicos. La biobatería también proporciona energía estable a los implantes en diversos entornos tisulares, como los músculos o el cerebro.
Los análisis mostraron que el proceso de descarga de la batería no tiene un impacto significativo en los niveles de oxígeno u otros marcadores biológicos del cuerpo. Las pruebas también mostraron una excelente biocompatibilidad sin reacciones inmunes excesivas del tejido circundante. Esto confirma la idoneidad de la membrana externa para la biointegración.
Para demostrar una aplicación práctica, los investigadores integraron su biobatería en dispositivos miniaturizados de estimulación cerebral y monitoreo gástrico que se implantaron con éxito en ratones. La alta densidad de energía en un factor de forma biocompatible permite implantes independientes que antes no eran posibles.
El novedoso diseño biomimético cumple dos requisitos importantes de la electrónica médica: alto almacenamiento de energía y compatibilidad biológica. Esta investigación proporciona un modelo para el desarrollo de una nueva generación de biobaterías específicamente adecuadas para alimentar dispositivos endógenos avanzados. El enfoque inspirado en las mitocondrias allana el camino para implantes con capacidades ampliadas que podrían transformar los tratamientos médicos.
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 ©
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