Cualquiera que haya visto a un niño volverse loco tras tomarse de golpe una bolsa de chuches sabe lo energéticos que pueden ser los alimentos azucarados. Esa misma energía puede ser la solución que necesitan miles de implantes minúsculos en desarrollo, también en España, para funcionar sin necesidad de cargar con abultadas baterías. Mediante el uso de la glucosa corporal del propio paciente, esta celda de combustible ha conseguido generar la potencia más alta obtenida hasta el momento en un dispositivo de este tipo.
Para implantes cerebrales, sensores en el pecho, chips en el estómago, la nanotecnología abre la puerta a nuevas formas de aplicar medicamentos o monitorizar a los pacientes. Sin embargo, esta innovación tiene un gran obstáculo que salvar, depende del diseño de baterías minúsculas. Algunos estudios optan por usar vibraciones, mientras otros recurren a elementos naturales del cuerpo humano.
Un equipo formado por el MIT (Instituto Tecnológico de Masachussets) y la Universidad Técnica de Múnich han desarrollado está celda de combustible, la más potente basada en glucosa. "En lugar de usar una batería, que puede ocupar el 90% del volumen de un implante, se puede fabricar un dispositivo con una película delgada y tener una fuente de energía sin huella volumétrica", dice Jennifer LM Rupp, profesora asociada de química de la Universidad Técnica de Múnich en Alemania.
Una segunda oportunidad
Aunque para muchas personas esta tecnología suene revolucionaria, no es el primer proyecto que desarrolla una celda de combustible de glucosa. Este concepto se introdujo en la década de 1960. Pero, compuestas por polímeros blandos, las pilas de glucosa fueron eclipsadas rápidamente por las baterías de yoduro de litio como principal fuente de energía para los implantes médicos como el marcapasos cardíaco.
Ahora podrían tener una segunda oportunidad, pues las baterías cuentan con un lastre importante, su tamaño. Requieren de espacio para almacenar la energía por lo que no es posible reducir sus dimensiones tanto como la medicina demanda. En su lugar, las celdas de combustible como esta, "convierten la energía directamente en lugar de almacenarla en un dispositivo, por lo que no necesita todo ese volumen que se requiere para almacenar energía en una batería", dice Rupp.
Cirugía médica
En los últimos años este tipo de componentes ha vuelto a recibir atención permitiendo avances como el que presenta el MIT. Por su tamaño, composición y diseño los investigadores creen que su celda podría convertirse en recubrimientos ultrafinos con los que envolver implantes para alimentar electrónicamente de forma pasiva, utilizando el abundante suministro de glucosa del cuerpo.
¿Cómo funciona?
Su diseño básico se compone de tres capas: un ánodo superior, un electrolito intermedio y un cátodo inferior. La primera capa reacciona ante los fluidos corporales, transformando el azúcar que hay en ellos en ácido glucónico. Esta conversión electroquímica libera un par de protones y un par de electrones.
En la segunda fase, el electrolito central separa los protones de los electrones y conduce a los protones a través de la celda de combustible. Los protones se acaban combinando con el aire y forman moléculas de agua, es decir, se produce un residuo inofensivo que fluye con los demás líquidos del cuerpo.
Mientras, el proceso más importante sucede al aislar a los electrones que se conducen hacia un circuito externo, independiente de la célula para poder alimentar con energía al implante que está unida. Así es como la glucosa del paciente se transforma en energía.
Fabricación de 30 celdas para implantes
En el diseño original, los científicos utilizaron materiales como los polímeros por lo fácilmente que conducen los protones, pero su debilidad antes el calor les obligó a sustituirlos por elementos más resistentes, los cerámicos. Al fin y al cabo, la celda está diseñada para formar parte de implantes médicos y, al igual que el resto de componentes que lo integran, debe resistir altas temperaturas para poder esterilizarlo antes de la operación de implantación.
Al final, el corazón de la celda se compone de ceria, un material cerámico con una alta conductividad iónica, mecánicamente más robusto y biocompatible. Esta capa intermedia se intercaló entre un ánodo y un cátodo de platino que también es un material bastante estable capaz de reaccionar ante la glucosa. El conjunto puede soportar hasta 600 grados centígrados.
Un chute de energía
La celda en cuestión mide solo 400 nanómetros de espesor, pero para que se comprenda mejor su extrema delgadez los investigadores aseguran que es 100 veces más fina que una cabello humano. Aunque su principal logró es su potencia, consigue generar 43 microvatios por centímetro cuadrado de electricidad.
Puede parecer una cantidad ínfima, pero para un pequeño implante dentro de un órgano resulta un avance decisivo. Es más, los investigadores presumen de haber logrado la mayor densidad de energía de cualquier celda de combustible de glucosa hasta la fecha en condiciones ambientales.
Azúcar
Fabricaron 150 celdas de combustible de glucosa individuales en un chip, cada una con unas dimensiones de 400 nanómetros de grosor y unos 300 micrómetros de ancho, que para que se entienda mejor es el ancho de 30 cabellos humanos. Modelaron las células en obleas de silicio, para demostrar que se puede emparejar con un material semiconductor común. Y por último, midieron la corriente que producía cada una de las celdas cuando se les aplicaba una solución de glucosa sobre ellas.
El resultado fue un voltaje máximo de alrededor de 80 milivoltios. Lo que por su tamaño supone una densidad de "potencia más alta de cualquier diseño de celda de combustible de glucosa existente", celebran en el comunicado.
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