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Ingeniería biomédica

Una microbatería verde

Científicos de la USP y de Harvard desarrollan un prototipo fabricado con gelatina vegetal para aplicaciones médicas

El dispositivo podrá utilizarse en microchips, cápsulas de endoscopía y pastillas inteligentes

Henrique Fontes/ IQSC-USP

En la carrera por crear baterías de nueva generación sostenibles y orgánicas, un equipo del Instituto de Química de São Carlos, de la Universidad de São Paulo (IQSC-USP), en asociación con científicos de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad Harvard, en Estados Unidos, lograron un avance importante. Los científicos idearon una microbatería a base de gelatina vegetal con un uso potencial en dispositivos médicos implantables, tales como microchips, o para usar en exámenes, incluso en pastillas inteligentes y cápsulas de endoscopía.

Los detalles de la investigación que condujo al prototipo del dispositivo salieron publicados en la revista británica Journal of Materials Chemistry A. “No hay ningún producto comercial con ese mismo perfil. Nuestra microbatería ha demostrado ser eficiente y más segura que las disponibles en el mercado, y está compuesta por elementos que abundan en la naturaleza”, dice Graziela Cristina Sedenho, química del grupo  de la USP.

Por su trabajo, Sedenho y su director de doctorado, el químico Frank Nelson Crespilho, ganaron el Premio Kurt Politzer de Tecnología, otorgado por la Asociación Brasileña de la Industria Química (Abiquim), en la categoría Investigador. Coordinador del Grupo de Bioelectroquímica e Interfaces del IQSC-USP, Crespilho se dedica desde hace tiempo al desarrollo de sistemas orgánicos y bioinspirados de conversión de energía, tales como las biocélulas de combustible y las baterías orgánicas (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 205).

Más pequeño que la punta del dedo índice –mide 1,5 centímetros (cm) de largo por 1,5 cm de ancho y 4 milímetros (mm) de espesor– y con un peso de apenas 0,5 gramo, el prototipo es menos tóxico que las baterías tradicionales que se utilizan en el ámbito médico, que en su composición contienen plata o litio. Crespilho explica que las microbaterías convencionales suelen estar compuestas de electrolitos, que son corrosivos o inflamables en contacto con el aire o el agua, lo que hace que su uso en la medicina revista riesgos, pues los electrolitos son sustancias que conducen la electricidad. “Existen varios tipos de microbaterías en el mercado. Son eficientes, pero su problema es la seguridad. Si una de estas pilas que contienen litio o plata se rompe y entra en contacto con el cuerpo del paciente, podría incluso causar la muerte”, señala el investigador.

En el dispositivo desarrollado por los científicos de la USP y Harvard, la matriz de soporte de los electrolitos está compuesta de hidrogel de agarosa, conocido popularmente como gelatina vegetal (vea la infografía que figura debajo). La agarosa, un biopolímero compuesto de azúcar extraído de las algas marinas, es una sustancia ampliamente disponible y de bajo costo. Para la generación de la corriente eléctrica se incorporaron al gel dos tipos de moléculas sintetizadas en Harvard, lo que le permite a la microbatería funcionar con electrolitos acuosos y no corrosivos.

La inspiración para una de esas moléculas provino de las quinonas, un grupo de sustancias orgánicas presentes en las ramas, hojas y raíces de las plantas. El científico Michael J. Aziz, de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard, quien participó en la investigación, ya estaba trabajando con esas moléculas en el desarrollo de grandes baterías estacionarias, con el propósito de acoplarlas a convertidores de energía eólica y solar.

Al equipo de Crespilho se le ocurrió la idea de utilizar el hidrogel de agarosa como matriz y aprovechar moléculas orgánicas y organometálicas en la elaboración de las microbaterías. El grupo de São Carlos tiene experiencia en la construcción de sistemas bioelectroquímicos para la conversión de energía eléctrica utilizando moléculas orgánicas y biológicas, que operan en condiciones compatibles con el organismo humano.

La composición de la batería permite desecharla sin causar daños al medio ambiente, por lo que entra en la categoría de los productos ecológicos. Además, la materia prima utilizada en su producción es renovable, a diferencia del litio, una materia prima cuyas reservas son finitas y cuyo precio fluctúa en el mercado internacional.

Las baterías se desarrollaron para su uso en microdispositivos que por el momento son poco conocidos y empleados en el país. “Aunque la cápsula de endoscopía, que se usa para visualizar el aparato digestivo, ya se comercializa, todavía no está muy difundida en Brasil”, dice Crespilho. Las pastillas inteligentes, una innovación aún más reciente, están equipadas con sensores capaces de detectar bacterias, hemorragias y otros problemas en el sistema gastrointestinal.

La fisicoquímica Susana Inés Córdoba de Torresi, coordinadora del Laboratorio de Materiales Electroactivos del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (IQ-USP), considera original y prometedora a la iniciativa de construir una microbatería de gel de agarosa. “La idea es excelente. Tenemos que ver cómo funcionará en la práctica cuando se hagan los ensayos clínicos”, dice. La microbatería aún no ha sido probada en un dispositivo médico para uso humano o animal. Según Torresi, las únicas preocupaciones se refieren a su estabilidad –no la estabilidad física, sino aquella relativa al funcionamiento del dispositivo– y su biocompatibilidad.

Torresi resalta que las microbaterías de uso en el área médica usualmente no necesitan tener un alto voltaje, ya que los microdispositivos donde se utilizarán no requieren mucha energía. También destaca que su aplicación resulta más fácil cuando se utilizan en dispositivos como las cápsulas de endoscopía –de uso único y por poco tiempo– en contraposición con los microchips, que se implantan y permanecen en el cuerpo durante un largo período.

Para los investigadores de la USP, esta tecnología podría utilizarse en un futuro cercano en una gama más amplia de dispositivos, como en el caso de los marcapasos, que regulan los latidos del corazón de los pacientes con cardiopatías. “Para ello, necesitamos mejorar nuestro proyecto, ya que los marcapasos requieren más energía y una batería de larga duración”, explica Sedenho, quien añade que, así y todo, para los usos propuestos en el estudio, la tecnología ya se encuentra lo suficientemente desarrollada. “Estamos en condiciones de transferirle el conocimiento a una empresa para que el dispositivo llegue a la sociedad”.

Proyecto
Batería de flujo redox acoplada a una biocélula de combustible microbiológica (nº 17/15714-0); Modalidad Beca Doctoral – Exterior; Investigador responsable Frank Nelson Crespilho (USP); Becaria Graziela Sedenho; Inversión R$ 109.838,33

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