Primicia mundial: el biosupercondensador más pequeño proporciona energía para aplicaciones biomédicas

En el número actual de Nature Communication, los investigadores informan sobre los microsupercondensadores más pequeños hasta la fecha, que ya funcionan en vasos sanguíneos (artificiales) y pueden utilizarse como fuente de energía para un diminuto sistema de sensores para medir el pH.

Este sistema de almacenamiento abre posibilidades de implantes intravasculares y sistemas microrobóticos para la biomedicina de próxima generación, que podrían funcionar en espacios pequeños de difícil acceso en el interior del cuerpo humano. Por ejemplo, la detección en tiempo real del pH de la sangre puede ayudar a predecir el crecimiento temprano de un tumor. "Es muy alentador ver cómo la nueva microelectrónica, extremadamente flexible y adaptable, se está introduciendo en el mundo miniaturizado de los sistemas biológicos", afirma el jefe del grupo de investigación, el Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, que está muy satisfecho con este éxito de la investigación.

La fabricación de las muestras y la investigación del biosupercondensador se llevaron a cabo en gran medida en el Centro de Investigación MAIN de la Universidad Tecnológica de Chemnitz.

"La arquitectura de nuestros nano-supercondensadores ofrece la primera solución potencial a uno de los mayores retos: diminutos dispositivos integrados de almacenamiento de energía que permiten el funcionamiento autosuficiente de microsistemas multifuncionales", afirma el Dr. Vineeth Kumar, investigador del equipo del profesor Schmidt e investigador asociado del centro de investigación MAIN.

Más pequeños que una mota de polvo - voltaje comparable al de una pila AAA

Los dispositivos de almacenamiento de energía cada vez más pequeños en el rango submilimétrico -los llamados "nano-supercondensadores" (nBSC)- para componentes microelectrónicos aún más pequeños no son sólo un gran reto técnico. Esto se debe a que, por regla general, estos supercondensadores no utilizan materiales biocompatibles sino, por ejemplo, electrolitos corrosivos y se descargan rápidamente en caso de defectos y contaminación. Ambos aspectos los hacen inadecuados para aplicaciones biomédicas en el cuerpo. Los llamados "biosupercondensadores (BSC)" ofrecen una solución. Tienen dos propiedades destacadas: son totalmente biocompatibles, lo que significa que pueden utilizarse en fluidos corporales como la sangre y pueden emplearse para otros estudios médicos.

Además, los biosupercondensadores pueden compensar el comportamiento de autodescarga mediante reacciones bioelectroquímicas. Al hacerlo, se benefician incluso de las propias reacciones del cuerpo. Y es que, además de las reacciones de almacenamiento de carga típicas de un supercondensador, las reacciones enzimáticas redox y las células vivas presentes de forma natural en la sangre aumentan el rendimiento del dispositivo en un 40%.

En la actualidad, los dispositivos de almacenamiento de energía más pequeños son de más de 3 mm3. El equipo del profesor Oliver Schmidt ha conseguido ahora producir un nBSC tubular 3.000 veces más pequeño que, con un volumen de 0,001 mm3 (1 nanolitro), ocupa menos espacio que un grano de polvo y, sin embargo, suministra una tensión de alimentación de hasta 1,6 V para sensores microelectrónicos. Esta energía puede utilizarse para un sistema de sensores en la sangre, por ejemplo. El nivel de potencia también es aproximadamente equivalente al voltaje de una pila AAA estándar, aunque el flujo de corriente real en estas escalas más pequeñas es, por supuesto, significativamente menor. La geometría tubular flexible del nano-biosupercondensador proporciona una autoprotección eficaz contra las deformaciones causadas por la sangre pulsante o la contracción muscular. A plena capacidad, el nanobiosupercondensador presentado puede hacer funcionar un complejo sistema de sensores totalmente integrado para medir el valor del pH en la sangre.

Gracias a la tecnología de estructura de origami: flexible, robusto y diminuto

La tecnología de estructura de origami consiste en colocar los materiales necesarios para los componentes del nBSC en una superficie muy fina bajo una gran tensión mecánica. Cuando las capas de material se desprenden posteriormente de la superficie de forma controlada, la energía de la tensión se libera y las capas se enrollan en dispositivos 3D compactos con gran precisión y rendimiento (95%). Los nanobiosupercondensadores así producidos se probaron en tres soluciones llamadas electrolíticas: Solución salina, plasma sanguíneo y sangre. En los tres electrolitos, el almacenamiento de energía fue suficientemente exitoso, aunque con una eficiencia variable. En la sangre, el nanobiosupercondensador mostró una excelente vida útil, manteniendo hasta el 70% de su capacidad inicial incluso después de 16 horas. Se utilizó un separador de intercambio de protones (PES) para suprimir la rápida autodescarga.

Estabilidad del rendimiento incluso en condiciones reales

Para mantener las funciones naturales del cuerpo en diferentes situaciones, las características de flujo de la sangre y la presión en los vasos están en constante cambio. El flujo sanguíneo pulsa y varía según el diámetro de los vasos y la presión sanguínea. Cualquier sistema implantable dentro del sistema circulatorio debe soportar estas condiciones fisiológicas y mantener un rendimiento estable.

Por ello, el equipo estudió el rendimiento de su desarrollo -similar a un túnel de viento- en los llamados canales microfluídicos con diámetros de 120 a 150 µm (0,12 a 0,15 mm) para imitar vasos sanguíneos de diferentes tamaños. En estos canales, los investigadores simularon y probaron el comportamiento de sus dispositivos de almacenamiento de energía en diferentes condiciones de flujo y presión. Comprobaron que los nanobiosupercondensadores pueden suministrar su energía de forma adecuada y estable en condiciones fisiológicas relevantes.

La tecnología de sensores autónomos puede servir para el diagnóstico, por ejemplo, de tumores

El potencial de hidrógeno (pH) de la sangre está sujeto a fluctuaciones. Por ello, la medición continua del pH puede ayudar a la detección temprana de tumores, por ejemplo. Para ello, los investigadores han desarrollado un sensor de pH al que el nanobiosupercondensador suministra energía.

La tecnología de transistores de película fina (TFT) de 5 µm establecida previamente en el equipo de investigación del profesor Oliver Schmidt pudo utilizarse para desarrollar un oscilador en anillo con una flexibilidad mecánica excepcional, que funciona a baja potencia (de nW a µW) y a altas frecuencias (hasta 100MHz).

Para el proyecto actual, el equipo utilizó un oscilador de anillo basado en nBSC. El equipo integró un BSC sensible al pH en el oscilador en anillo, de modo que se produce un cambio en la frecuencia de salida en función del pH del electrolito. Este oscilador anular sensible al pH también se formó en una geometría tubular 3D mediante la técnica de origami "Swiss-roll", creando un sistema totalmente integrado y ultracompacto de almacenamiento de energía y sensor.

El núcleo interior hueco de este sistema de microsensores sirve de canal para el plasma sanguíneo. Además, tres nBSC conectados en serie con el sensor permiten una medición del pH especialmente eficaz y autosuficiente.

Estas propiedades abren un amplio abanico de posibles aplicaciones, por ejemplo en el diagnóstico y la medicación.