Científicos fabricaron una batería de papel ingerible que puede alimentar dispositivos médicos dentro del cuerpo y luego descomponerse gradualmente cuando cumple su función.
Hasta ahora, la batería se ha probado solo en cerdos, donde alimentó dispositivos por hasta tres días. Si resulta segura y eficaz en humanos, la batería podría algún día alimentar dispositivos temporales en el intestino, evitando la cirugía para extraer una batería convencional del cuerpo cuando ya no sea necesario.
“Estoy muy entusiasmado con este trabajo,” dijo Reza Ghodssi, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Maryland y que no participó en el estudio. “La batería es un componente que ocupa la mayor parte del espacio dentro de un dispositivo ingerible, así que cualquier cosa que pueda proporcionar la potencia requerida mientras reduce el tamaño de la cápsula es muy prometedora.”
Entre los dispositivos médicos ingeribles se encuentran aquellos que detectan sangrado, dispensan medicamentos o estimulan tejidos u órganos específicos.
¿Cómo funciona la batería?
Las baterías convencionales utilizadas en dispositivos ingeribles no solo son grandes; también deben permanecer selladas para evitar que sus materiales internos se filtren hacia el tejido circundante y causen daños. La nueva batería, descrita el lunes 21 de septiembre en la revista Nature Chemical Engineering, está hecha de materiales que se disuelven gradualmente en el ácido del tracto gastrointestinal y pueden ser absorbidos de forma segura sin dejar fragmentos dañinos ni subproductos tóxicos.
La batería está construida en capas. Una aleación de magnesio forma el ánodo (terminal negativo) de la batería, mientras que el cátodo (terminal positivo) contiene trióxido de molibdeno y carbón activado. Entre ambos lados hay un electrólito biodegradable que permite que la batería genere una corriente eléctrica. Estos materiales se han utilizado en prototipos de baterías biodegradables anteriores para electrónica médica temporal y dispositivos ponibles.
El nuevo diseño los adapta a una batería delgada, porosa, similar al papel, usando nanofibras de celulosa como aglutinante, mientras que las versiones anteriores utilizaban aglutinantes de mayor tamaño. “La estructura de papel mejora la resistencia de la batería y el control de su degradación, sin dejar de producir electricidad”, afirmó Giovanni Traverso, director del Laboratorio de Ingeniería Traslacional del MIT, en un correo a Live Science.
Para evitar que la batería se descomponga demasiado rápido en el ácido estomacal, los investigadores la recubrieron con cera de abejas. Algunas versiones también obtuvieron una capa de cera de candelilla — derivada del arbusto del desierto Euphorbia antisyphilitica — para una protección más prolongada.
“El recubrimiento de cera no es simplemente empaquetado,” explicó Traverso. “Es un elemento clave de diseño que controla la vida útil funcional.”
El equipo fabricó dos versiones de la batería, incluida una lo suficientemente pequeña como para caber dentro de una cápsula gelatinosa estándar. En pruebas de laboratorio, produjo aproximadamente 1.77 voltios y podía almacenar y entregar 2 miliamperio-horas por centímetro cuadrado, suficiente capacidad para alimentar electrónica de bajo consumo.
Una versión más grande de la batería produjo alrededor de 1.84 voltios y una capacidad máxima de 3.5 miliamperio-horas. Eso podría alimentar dispositivos que requieren un poco más de potencia. Sin embargo, la capacidad de la batería sigue siendo baja, señaló Ghodssi. “Necesitan tener una capacidad de al menos una orden de magnitud mayor para que esta tecnología sea aún más prometedora,” afirmó.
Pruebas de la batería dentro del cuerpo
Los investigadores colocaron los prototipos de batería dentro de cápsulas impresas en 3D y se las administraron a cerdos por vía oral usando un endoscopio —básicamente un tubo largo. Ambas versiones de la batería funcionaron hasta tres días, aunque su voltaje y capacidad disminuyeron a medida que se degradaban. El voltaje de la batería más grande cayó de alrededor de 1.8 voltios a 1.6 voltios después de un día y luego a alrededor de 1.45 voltios para el tercer día, mientras que la más pequeña cayó de 1.7 voltios a 1.35 voltios durante el mismo periodo.
El equipo utilizó las baterías para alimentar dos tipos de dispositivos médicos dentro de los cerdos. La batería más pequeña alimentó una etiqueta RFID inalámbrica (identificación por radiofrecuencia). Sensores basados en RFID similares se han probado en personas antes, pero la que se utilizó en este estudio era experimental. Los investigadores la ubicaron en el esófago, donde la etiqueta se comunicaba con un receptor a una distancia de hasta 5 pies (1.5 metros), lo que permitió detectar cuándo los cerdos tragaban un medicamento.
La batería más grande alimentó una cápsula ingerible que estimuló eléctricamente el estómago; esto aumentó los niveles de la hormona grelina estimulante del hambre en la sangre sin causar daño tisular visible en el sitio de estimulación. La estimulación eléctrica gástrica ya se utiliza en personas con gastroparesia severa, una condición que ralentiza el vaciado del estómago; la cápsula impulsada por batería probada en este estudio es experimental.
“Es bastante impresionante que la batería pueda operar de forma estable y confiable a medida que el dispositivo completo avanza por el sistema gastrointestinal en un modelo animal de gran tamaño,” dijo John Rogers, pionero de la bioelectrónica y científico de materiales en la Universidad Northwestern, que no participó en el estudio.
La batería y sus componentes biodegradables se descomponían, pero el tablero de circuito electrónico utilizado para el experimento de estimulación estomacal no; en su lugar, los cerdos lo expulsaron de forma natural. “Hacer que cada parte del dispositivo sea bioresorbible podría eliminar el riesgo de que un componente sobrante quede alojado en el tracto gastrointestinal,” sostuvo Rogers.
El mayor desafío que queda para los investigadores es controlar la vida útil de la batería y hacer que su descomposición sea más predecible, dijo Traverso.
Los investigadores también encontraron cierta variabilidad entre las baterías, que atribuyen a factores en su construcción, incluida la cantidad de contacto entre las capas, la distribución del electrólito y diferencias en el grosor del recubrimiento de cera. El equipo está trabajando para estandarizar la fabricación y ajustar el recubrimiento para que las baterías se diseñen para funcionar durante periodos específicos, desde horas hasta días.
El equipo también planea realizar pruebas más largas en condiciones que imiten de manera más fiel al tracto gastrointestinal humano. Se están preparando para un ensayo clínico inicial del sistema RFID que podría comenzar en unos dos años, dijo Traverso.
