Los usuarios de marcapasos necesitan cada cinco a ocho años someterse a una pequeña cirugía para reemplazar la batería del dispositivo. Para mantener el artefacto implantado sin necesidad de realizar ese recambio, algunos grupos de investigación en el mundo están trabajando para desarrollar microbaterías que transforman la energía química en eléctrica en el interior de los vasos sanguíneos, utilizando biocatalizadores (enzimas o microorganismos) para acelerar las reacciones químicas y generar corriente eléctrica. Uno de los proyectos más prometedores se encuentra en fase de desarrollo, a cargo del equipo del profesor Frank Crespilho, coordinador del Grupo de Bioelectroquímica e Interfaces del Instituto de Química de São Carlos (IQ-SC), de la Universidad de São Paulo (USP), que también incluye a investigadores de la Universidad Federal del ABC (UFABC), en Santo André (São Paulo). Se trata de una biocélula de combustible (BFC, del inglés bio-fuel cells), que utiliza glucosa de sangre de rata para producir energía. Para probarla, los investigadores implantaron ese dispositivo en el interior de la vena yugular de un roedor.
Crespilho comenzó a trabajar con esas biocélulas en 2008, y empezó a desarrollar la microcélula para implantes al finales de 2010. “El principal objetivo consistía en desarrollar una biocélula y utilizarla como fuente de energía alternativa para su aplicación en marcapasos, bombas de insulina, implantes neurales, bioestimuladores eléctricos y liberación controlada de fármacos”, explica. “Las biobaterías de glucosa y oxígeno insertables, tal como la que se encuentra en estudio, son atractivas porque pueden generar una diferencia de potencial mayor que 1 voltio [como ejemplo, una pila del tipo AA, ofrece 1,5 voltios]. Además, tanto la glucosa como el oxígeno molecular se encuentran disponibles en muchas regiones del organismo humano”.
Una de las innovaciones de la BFC del grupo de Crespilho es la escala y el tamaño de sus componentes. “A la biocélula que desarrollamos la denominamos ‘microcélula’, pues trabaja con microvolúmenes. Y el tamaño de los electrodos posibilita el implante dentro de una vena de rata”, explica. Los electrodos miden 20 micrones de diámetro (seis veces menos que un pelo), y se insertan dentro de un catéter de 0,5 milímetros (mm) de diámetro por 0,6 mm de longitud. Tal como las pilas comunes, la BFC creada en São Carlos posee dos electrodos, el cátodo, o polo positivo, y el ánodo, o polo negativo. El primero está construido con nanopartículas de platino y el segundo, con la enzima glucosa oxidasa. Ambos están recubiertos con un polímero y montados sobre un soporte de fibra flexible de carbono, que constituye el propio electrodo. “Las células sanguíneas, tales como los glóbulos rojos y blancos, por ejemplo, pueden adherirse en la superficie de los electrodos y bloquear la difusión de la glucosa”, explica Crespilho. “Por eso, nuestra estrategia consistió en la utilización de un polímero especial, denominado dendrímero, que evita la adherencia y el bloqueo de los electrodos”.
Las fibras flexibles de carbono son otra de las innovaciones del grupo. Según Crespilho, cuando el equipo decidió desarrollar biocélulas de combustible para aplicaciones médicas, la primera percepción fue la necesidad de crear electrodos flexibles y compatibles con el sistema biológico. “A partir de ahí comenzamos a utilizar fibras flexibles de carbono”, comenta. Las fibras de carbono y los electrodos ya eran viejos conocidos de los investigadores. Sin embargo, no existían datos en la literatura científica de su uso con ese objetivo. Mediante novedosas técnicas de micromanipulación, ellos extrajeron diferentes tipos de fibras de tejidos de carbono comerciales utilizados en la fabricación de materiales livianos y con alta resistencia, tales como los empleados para los autos de F1, tablas de surf y cuadros de bicicletas, por ejemplo.
La obtención de la fibra de carbono adecuada para la BFC fue algo de lo más complicado del proyecto. No puede utilizarse cualquier marca comercial. “Tardamos al menos dos años en obtener el tejido ideal, pues los electrodos dependen mucho de cómo se encuentran alineados los átomos de carbono y de la calidad de los materiales empleados en la fabricación de las fibras”, explica Crespilho. “Fue necesario el desarrollo de una técnica destinada a la obtención de esas fibras. Una vez seleccionadas, éstas pasan por un tratamiento químico y pueden utilizarse en la biocélula”. Cuando está lista, la BFC se implanta dentro de la yugular de la rata. “La sangre pasa por ella y transporta glucosa, que es el combustible, hacia el ánodo, mientras que el oxígeno actúa en el cátodo”, describe Crespilho. “La glucosa reacciona en la superficie del primero, que contiene la enzima glucosa oxidasa, y le ‘cede’ electrones a la célula, en un proceso conocido como oxidación. En el segundo, ocurre la reducción de un agente oxidante, en este caso el oxígeno disuelto en la sangre del animal. En esta reacción, ese elemento gana electrones”.
Los dos electrodos posibilitan el paso de electrones desde un extremo al otro. La electricidad surge debido a ambas reacciones, oxidación y reducción, denominadas en conjunto redox, en la cual los electrones pueden transportarse hacia un circuito externo. Como por ejemplo, un marcapasos. Para que ello suceda, la electricidad generada se transporta desde la BFC hacia el dispositivo mediante los hilos que atraviesan las paredes de la vena. De esta manera, la biocélula se alimenta constantemente pues la sangre contiene oxígeno y glucosa, que son repuestos en todo momento mediante la respiración y la alimentación.
Mayor densidad
En un artículo científico publicado en la revista Lab on a Chip, los investigadores también comentan sobre la necesidad de nuevos estudios sobre alternativas para evitar la inflamación y la formación de tejidos fibrosos sobre los electrodos implantados en los vasos sanguíneos, lo cual disminuye la vida útil del dispositivo. Además del grupo de la USP de Sao Carlos y de la UFABC, hay otros tres en el mundo, dos en Estados Unidos y uno en Francia, desarrollando biocélulas. El pionero fue el del profesor Serge Cosnier, de la Universidad Joseph Fourier, en Francia, quien en 2010 implantó una BFC dentro del abdomen de una rata. En 2012, Daniel Scherson, de la Universidad Case Western Reserve, de Estados Unidos, probó lo mismo en una cucaracha. El mismo año, el grupo de Evgeny Katz, de la Universidad Clarkson, la implantó en un caracol. “De todos esos trabajos, fue nuestro grupo el que desarrolló la batería insertable con mayor densidad de potencia registrada hasta ahora, con unos 100 microvatios por centímetro cuadrado”, asegura Crespilho. Para llevar adelante este proyecto, el grupo de São Carlos y de Santo André recibió financiación de la FAPESP, además de recursos aportados por el Instituto Nacional de Electrónica Orgánica (Ineo) y de la Red de Nanobiomedicina (Nanobiomed), dependiente de la Coordinación de Perfeccionamiento del Personal de Nivel Superior (Capes).
Proyecto
Interacción entre biomoléculas y sistemas celulares con nanoestructuras OD, 1D y 2D utilizando métodos electroquímicos (nº 2009/15558-1); Modalidad Ayuda Regular al Proyecto de Investigación; Coord. Frank Crespilho/ USP; Inversión R$ 92.262,80 y US$ 50.821,57 (FAPESP).
Artículo científico
SALES, F. C. et al. An intravenous implantable glucose/ dioxygen biofuel cell with modified flexible carbon fiber electrodes. Lab on a Chip. v. 13, p. 468-74, 2013.
