Prototipo creado. Imagen: Diemut Strebe. Fuente: MIT.
Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y del Brigham and Women's Hospital de EEUU han diseñado una pequeña célula voltaica que se mantiene con los líquidos ácidos del estómago.
Este sistema puede generar suficiente energía como para alimentar a pequeños sensores o a dispositivos de administración de fármacos que permanezcan en el tracto gastrointestinal durante largos períodos de tiempo.
El sistema supondría una alternativa más segura y de menor costo a las baterías tradicionales usadas ahora para alimentar tales dispositivos, afirman los investigadores.
Para tragar
Los científicos creen que el tracto gastrointestinal puede albergar nuevos sistemas para un suministro de fármacos más eficiente, pero que para ello resulta esencial encontrar la mejor manera de suministrar energía a estos dispositivos.
Por eso, habían desarrollado y probado previamente diversos dispositivos ingeribles que pueden utilizarse para detectar condiciones fisiológicas como la temperatura, la frecuencia cardiaca y la frecuencia respiratoria, o para administrar fármacos para tratar enfermedades como la malaria.
El nuevo trabajo podría impulsar, por ejemplo, toda una nueva generación de pastillas electrónicas ingeribles, que algún día permitirían nuevas formas de monitorear la salud del paciente o el tratamiento de sus enfermedades, aseguran.
Este sistema puede generar suficiente energía como para alimentar a pequeños sensores o a dispositivos de administración de fármacos que permanezcan en el tracto gastrointestinal durante largos períodos de tiempo.
El sistema supondría una alternativa más segura y de menor costo a las baterías tradicionales usadas ahora para alimentar tales dispositivos, afirman los investigadores.
Para tragar
Los científicos creen que el tracto gastrointestinal puede albergar nuevos sistemas para un suministro de fármacos más eficiente, pero que para ello resulta esencial encontrar la mejor manera de suministrar energía a estos dispositivos.
Por eso, habían desarrollado y probado previamente diversos dispositivos ingeribles que pueden utilizarse para detectar condiciones fisiológicas como la temperatura, la frecuencia cardiaca y la frecuencia respiratoria, o para administrar fármacos para tratar enfermedades como la malaria.
El nuevo trabajo podría impulsar, por ejemplo, toda una nueva generación de pastillas electrónicas ingeribles, que algún día permitirían nuevas formas de monitorear la salud del paciente o el tratamiento de sus enfermedades, aseguran.
Como una pila de limón
Habitualmente, este tipo de dispositivos son alimentados con baterías pequeñas. Sin embargo, las baterías convencionales se descargan con el tiempo y representan un posible riesgo para la seguridad y la salud del paciente.
Para superar esas desventajas, los investigadores del MIT y sus colaboradores se centraron en la electrónica de bajo consumo. Más concretamente, se inspiraron en un tipo muy simple de célula voltaica conocida como pila de limón, que consta de dos electrodos.
Esta pila de limón consiste en insertar, en un limón, dos objetos hechos de metales diferentes, por ejemplo un clavo galvanizado de zinc y una moneda o clavo de cobre. Estos dos objetos funcionan como electrodos, causando una reacción electroquímica mediada por el jugo de limón que genera una pequeña cantidad de corriente eléctrica.
Para replicar esta idea, los investigadores adjuntaron electrodos de zinc y cobre a la superficie de un sensor ingerible. Al entrar en contacto con los ácidos del estómago, el zinc emite iones que alimentan el circuito voltaico del sistema, generando suficiente energía como para alimentar un sensor de temperatura comercial y un transmisor de 900 megahercios.
Pruebas en cerdos
En pruebas realizadas con cerdos, los dispositivos tardaron un promedio de seis días en viajar a través del tracto digestivo. Mientras se mantuvo en el estómago, la célula voltaica produjo suficiente energía como para alimentar un sensor de temperatura y como para transmitir los datos que este registraba, inalámbricamente, a una estación base ubicada a 2 metros de distancia, con una señal enviada cada 12 segundos.
Una vez que el dispositivo entró en el intestino delgado, que es menos ácido que el estómago, la célula generó sólo alrededor de 1/100 de lo que produjo en el estómago. "Pero todavía hay energía allí, que se puede cosechar durante un período de tiempo más largo, para transmitir paquetes de información menos frecuentes”, señalan los científicos.
Miniaturización y aplicaciones
El prototipo actual del dispositivo es un cilindro de unos 40 milímetros de largo y 12 milímetros de diámetro, pero los investigadores aspiran a reducirlo hasta dejarlo en un tercio de su tamaño actual, mediante la fabricación de un circuito integrado personalizado.
Además de para controlar ciertos estados del organismo, estos dispositivos también podrían ser utilizados para administrar fármacos directamente en el aparato digestivo. En este estudio, los investigadores han demostrado que podrían utilizar la energía generada por la célula voltaica para liberar medicamentos encapsulados dentro de una película de oro. Esto podría ser útil para situaciones en las que los médicos necesitan probar diferentes dosis de un medicamento, como en el caso de los tratamientos para controlar la presión arterial.
Habitualmente, este tipo de dispositivos son alimentados con baterías pequeñas. Sin embargo, las baterías convencionales se descargan con el tiempo y representan un posible riesgo para la seguridad y la salud del paciente.
Para superar esas desventajas, los investigadores del MIT y sus colaboradores se centraron en la electrónica de bajo consumo. Más concretamente, se inspiraron en un tipo muy simple de célula voltaica conocida como pila de limón, que consta de dos electrodos.
Esta pila de limón consiste en insertar, en un limón, dos objetos hechos de metales diferentes, por ejemplo un clavo galvanizado de zinc y una moneda o clavo de cobre. Estos dos objetos funcionan como electrodos, causando una reacción electroquímica mediada por el jugo de limón que genera una pequeña cantidad de corriente eléctrica.
Para replicar esta idea, los investigadores adjuntaron electrodos de zinc y cobre a la superficie de un sensor ingerible. Al entrar en contacto con los ácidos del estómago, el zinc emite iones que alimentan el circuito voltaico del sistema, generando suficiente energía como para alimentar un sensor de temperatura comercial y un transmisor de 900 megahercios.
Pruebas en cerdos
En pruebas realizadas con cerdos, los dispositivos tardaron un promedio de seis días en viajar a través del tracto digestivo. Mientras se mantuvo en el estómago, la célula voltaica produjo suficiente energía como para alimentar un sensor de temperatura y como para transmitir los datos que este registraba, inalámbricamente, a una estación base ubicada a 2 metros de distancia, con una señal enviada cada 12 segundos.
Una vez que el dispositivo entró en el intestino delgado, que es menos ácido que el estómago, la célula generó sólo alrededor de 1/100 de lo que produjo en el estómago. "Pero todavía hay energía allí, que se puede cosechar durante un período de tiempo más largo, para transmitir paquetes de información menos frecuentes”, señalan los científicos.
Miniaturización y aplicaciones
El prototipo actual del dispositivo es un cilindro de unos 40 milímetros de largo y 12 milímetros de diámetro, pero los investigadores aspiran a reducirlo hasta dejarlo en un tercio de su tamaño actual, mediante la fabricación de un circuito integrado personalizado.
Además de para controlar ciertos estados del organismo, estos dispositivos también podrían ser utilizados para administrar fármacos directamente en el aparato digestivo. En este estudio, los investigadores han demostrado que podrían utilizar la energía generada por la célula voltaica para liberar medicamentos encapsulados dentro de una película de oro. Esto podría ser útil para situaciones en las que los médicos necesitan probar diferentes dosis de un medicamento, como en el caso de los tratamientos para controlar la presión arterial.
Referencia bibliográfica:
Phillip Nadeau, Dina El-Damak, Dean Glettig, Yong Lin Kong, Stacy Mo, Cody Cleveland, Lucas Booth, Niclas Roxhed, Robert Langer, Anantha P. Chandrakasan, Giovanni Traverso. Prolonged energy harvesting for ingestible devices. Nature Biomedical Engineering (2017). DOI: 10.1038/s41551-016-0022.
Phillip Nadeau, Dina El-Damak, Dean Glettig, Yong Lin Kong, Stacy Mo, Cody Cleveland, Lucas Booth, Niclas Roxhed, Robert Langer, Anantha P. Chandrakasan, Giovanni Traverso. Prolonged energy harvesting for ingestible devices. Nature Biomedical Engineering (2017). DOI: 10.1038/s41551-016-0022.