Computación
¿Podrían las baterías internas impulsar los wearables de próxima generación e incluso combatir el cáncer?
Añade Securities.io a tus fuentes preferidas en Google
La tecnología portátil ha estado remodelando nuestras vidas diarias desde hace tiempo, y solo seguirá creciendo, como lo demuestra el mercado de dispositivos portátiles, que se valoró en $61.30 billion en 2022. Solo ese año, se enviaron a los consumidores más de 490 million unidades portátiles.
Impulsados por la innovación, los wearables han estado definiendo tendencias que abarcan industrias, desde la sostenibilidad ambiental hasta la atención médica, donde dichos electrónicos han transformado el monitoreo de salud, las terapias, el diagnóstico de enfermedades y la cicatrización de heridas. Para operar de manera fiable, estos dispositivos dependen de baterías que no solo son biocompatibles, sino que también tienen suficiente capacidad.
La mayoría de los dispositivos implantables se alimentan con baterías tradicionales como las de Ag-Zn (plata‑zinc) y Li-I2 (litio‑yodo). Sin embargo, estas baterías convencionales tienen capacidad limitada y representan un riesgo de seguridad por fugas de electrolitos orgánicos.
Selladas y utilizadas para alimentar dispositivos implantables, la capacidad de las baterías Ag‑Zn y Li‑I2 está limitada por su masa, lo que restringe su vida útil. Aquí es donde un nuevo estudio propone utilizar componentes que los organismos vivos contienen de forma natural. Estos componentes incluyen sudor, enzimas, glucosa y oxígeno disuelto, que pueden emplearse como fuentes de energía continuas para baterías.
El uso de componentes activos como O2 y glucosa como cátodos/ánodos, que pueden obtenerse de forma continua mediante el metabolismo, muestra un buen rendimiento electroquímico tanto in vitro como in vivo.
Publicado en Cell Press, el estudio propone baterías metal‑O2, que usarán O2 como componente activo en el cátodo y se ensamblarán con un ánodo metálico. De este modo, proporcionarán densidades de energía extremadamente altas, de 5 a 10 veces superiores a las baterías implantables disponibles actualmente.
Teóricamente, las baterías Li‑O2 y sodio‑oxígeno (Na‑O2) ofrecen diferentes densidades de energía de 3.458 y 1.605 Wh/kg, respectivamente. Estas cifras superan con creces las de las baterías de iones de litio actuales.
El estudio fue realizado por Yang Lv, Xizheng Liu, Jiucong Liu y Yi Ding, todos afiliados al Laboratorio de Materiales Porosos Funcionales Avanzados, Instituto de Nuevos Materiales Energéticos & Tecnologías Bajas en Carbono, Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad Tecnológica de Tianjin, China.
Otros investigadores incluyeron a Shuang Wu y Pingli Wu del Colegio de Química y Ciencia de Materiales, Instituto de Ciencia de la Vida y Desarrollo Verde, Universidad de Hebei, China; a Shuangyong Sun de la Escuela de Farmacia, Universidad Médica de Tianjin; y a Yonggang Wang del Departamento de Química y Laboratorio Clave de Shanghai de Catálisis Molecular y Materiales Innovadores, Instituto de Nueva Energía, iChEM, Universidad Fudan, China.
El estudio recibió apoyo financiero de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, del Programa Nacional Clave de Investigación y Desarrollo de China, y del Fondo Nacional de Ciencia para Jóvenes Investigadores Distinguidos.
Batería Na‑O2 Implantable y Biocompatible
El oxígeno es esencial para la vida y está omnipresente en los tejidos vivos. De manera similar, el sodio, otro elemento esencial, está ampliamente presente en nuestros cuerpos en forma de Na+. Esta ubicuidad convierte a las baterías metal‑O2 en una perspectiva prometedora para fuentes de energía de reposición constante.
Aunque el sodio se ha desarrollado como un ánodo prometedor para baterías recargables, las baterías Na‑O2 han sido particularmente populares debido a su bajo costo, altas densidades de energía teóricas y potencial de uso en redes inteligentes y electrónica portátil. Además, el producto de descarga de las baterías Na‑O2 puede metabolizarse fácilmente en el hígado y los riñones, lo que aumenta su atractivo.
De este modo, las baterías Na‑O2 pueden cumplir con los requisitos de suministro continuo de materias primas y con el metabolismo del producto in vivo.
Como tal, no es la primera vez que los investigadores se enfocan en baterías Na‑O2. En 2018, un estudio señaló su potencial gracias a su alta densidad de energía teórica y recursos abundantes, aunque llamó la atención sobre su cinética lenta debido a la formación de productos de descarga de gran tamaño con formas de partículas cúbicas o irregulares.
Otro artículo de Hossein Yadegari y Xueliang Sun del Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales de la Universidad de Western Ontario señaló que las baterías Na‑O2 han surgido como una alternativa energéticamente eficiente a las baterías Li‑O2. Se basan en una química de superóxido reversible, con sus celdas mostrando una carga de sobrepotencial más baja en comparación con sus contrapartes de Li, lo que puede traducirse en un alto rendimiento de ciclado.
Sin embargo, señaló que la interacción entre el par iónico es insuficiente para evitar el ataque nucleofílico del O2 contra el electrolito de la celda. Además, la estabilidad intrínseca de NaO2 y la mayor reactividad química del Na metálico presentan desafíos en el desarrollo de las baterías Na‑O2. Aunque ha habido relativamente pocos informes sobre estas baterías, las significativas ventajas potenciales de las baterías metal‑O2 implantables subrayan la importancia de abordar los desafíos existentes.
El estudio más reciente destaca la necesidad de que las baterías utilizadas in vivo tengan una arquitectura abierta, garantizando la adsorción de O2 de los fluidos corporales. Además, enfatiza la importancia de seleccionar componentes de la batería que presenten buena biocompatibilidad para evitar rechazos y reacciones. Asimismo, debido a su alta reactividad, el ánodo basado en Na debe estar bien protegido. El diseño de la batería también necesita ser flexible para permitir un contacto estable e íntimo con los tejidos blandos.
Como resultado, el equipo propone un diseño novedoso de batería Na‑O2 que utiliza una aleación estable basada en Na (NaGaSn) como ánodo (desde donde entra la electricidad) y un cátodo de oro nanoporous (NPG) (donde sale la electricidad) separado por una membrana de intercambio iónico (Nafion).
En lugar de usar Na metálico puro, los investigadores optaron por una aleación ternaria NaGaSn para mejorar la seguridad y las propiedades anticorrosivas en organismos vivos. Mientras tanto, el NPG se utilizó como cátodo en baterías metal‑aire para la reacción de reducción de oxígeno. Durante la descarga, el O2 se suministra continuamente desde los fluidos corporales y se reduce mediante la catálisis del NPG.
Resultados Prometedores, Aplicaciones Potenciales
A medida que la electrónica implantable gana cada vez más terreno debido a su potencial para revolucionar el monitoreo de salud personalizado y la terapia de precisión, la importancia de las baterías implantables crece de manera correspondiente. Aquí, el uso de componentes activos de organismos vivos puede proporcionar fuentes de energía a largo plazo, reduciendo así la necesidad de reemplazar baterías repetidamente mediante procesos quirúrgicos, ofreciendo una solución sostenible a largo plazo.
El estudio desarrolló con éxito una batería Na‑O2 implantable y biocompatible con una estructura de cátodo abierto que funciona sin problemas. En ratas, la batería laminada alcanzó una densidad de potencia de 2,6 μW/cm2 a 1,3 V, demostrando una excelente biocompatibilidad in vivo.
Los resultados no mostraron inflamación significativa alrededor de las baterías implantadas. Además, los capilares se regeneran bien alrededor del cátodo, proporcionando una fuente continua de O2 para la batería.
Mientras tanto, el catalizador de cátodo NPG permitió que la batería alcanzara una excelente estabilidad, lo que, según el estudio, convierte al NPG en la “elección inevitable” como cátodo de la batería Na‑O2. La membrana PLCL de electrospinning ayudó a mejorar la biocompatibilidad, y la estructura porosa de la membrana, que sirvió como canales para el transporte de masa y electrolito, permitió la permeación del fluido corporal y la difusión de O2.
En cuanto a los iones Na+ y OH− producidos durante el proceso de descarga, ingresaron al torrente sanguíneo sin causar alteraciones del electrolito, y su metabolismo en el cuerpo no resultó en anomalías en el hígado ni en los riñones.
Los resultados del estudio también mostraron un potencial prometedor como fuente de energía para alimentar electrónica micro‑implantable. Además, el consumo de O2 de los fluidos corporales destaca las posibles aplicaciones de la batería Na‑O2 en campos de investigación biológica y médica. Según el estudio:
“Nuestra batería Na‑O2 revoluciona el concepto de baterías implantables, el consumo de O2 durante la descarga genera una función de desoxigenación, lo que también ofrece una nueva forma de combinar implantes bioelectrónicos y bioterapia para enfermedades asociadas a entornos anaeróbicos.”
Así, la batería Na‑O2 claramente tiene un gran potencial, pero no se limita solo a alimentar los wearables; más bien, puede tener usos mucho mayores, incluidas aplicaciones contra el cáncer y el monitoreo de la cicatrización de heridas.
El estudio también señaló que la demencia senil y el cáncer están estrechamente relacionados con los niveles de oxígeno en los tejidos relevantes. Una batería de agua salada auto‑cargable recientemente reportada para terapia antitumoral mediante el consumo de O2 abre una nueva forma de combinar implantes bioelectrónicos y bioterapia.
Controlar con precisión la concentración de O2 en la batería actual demuestra capacidades terapéuticas potenciales contra enfermedades causadas por la agregación de oxígeno o bacterias patógenas. Además, los catalizadores en el cátodo de las baterías Na‑O2 pueden reducir los radicales superóxido que causan demencia senil, resaltando también sus posibles aplicaciones en estos campos.
Así, aunque aún quedan muchos desafíos por abordar, la batería Na‑O2 (Sodio‑Oxígeno) es “altamente prometedora y puede desencadenar una nueva revolución en el campo de los dispositivos implantables, conduciendo al desarrollo de nuevos métodos para el tratamiento de diversas enfermedades”, según el estudio.
Haga clic aquí para conocer los wearables creativos de próxima generación – Pendientes Térmicos
Soluciones Wearables Biotecnológicas en Desarrollo
La tecnología wearable se trata principalmente de dispositivos electrónicos que se llevan en el cuerpo para monitorear métricas. Hoy, estos dispositivos están impulsando una amplia gama de industrias, desde la medicina, el deporte y la tecnología financiera hasta la manufactura y más.
En la industria deportiva, los dispositivos wearables proporcionan a los atletas datos y retroalimentación en tiempo real sobre su rendimiento. Gafas inteligentes, calzado y ropa utilizan sensores para rastrear y monitorear la frecuencia cardíaca, los pasos y la actividad física, entre otras métricas. Esta información puede usarse luego para mejorar áreas específicas y ajustar los planes de acondicionamiento y entrenamiento en consecuencia.
En el sector manufacturero, estos dispositivos ayudan a garantizar la seguridad laboral al proporcionar alertas e información en tiempo real sobre situaciones potencialmente peligrosas. Al mismo tiempo, al rastrear la eficiencia y productividad de los trabajadores, ayudan a identificar áreas de mejora y a realizar los ajustes apropiados en los flujos de trabajo.
Sin embargo, es en la industria de la salud donde la tecnología wearable mediante dispositivos como relojes inteligentes, rastreadores de fitness, biosensores, monitores de presión arterial y monitores de electrocardiograma (ECG) realmente está revolucionando las cosas.
Los wearables permiten a los usuarios recopilar sus propios datos de salud y, a partir de ellos, tomar medidas. Los profesionales de la salud pueden mitigar situaciones potencialmente mortales mediante el monitoreo de pacientes en tiempo real, lo cual se facilita con los wearables.
Estos dispositivos rastrean y monitorean signos vitales y datos de salud, lo que permite a médicos y cuidadores identificar posibles problemas de salud y proporcionar intervenciones oportunas. También brindan a investigadores y médicos información valiosa para avanzar en la investigación clínica y desarrollar nuevas terapias y tratamientos.
Mientras tanto, proveedores y aseguradoras pueden utilizar estos dispositivos para ofrecer planes de salud más precisos y personalizados. Las organizaciones también los emplean para fomentar hábitos saludables entre los empleados.
En el sector biotecnológico, los wearables permiten el monitoreo no invasivo del estado fisiológico, así como del estado de enfermedad y exposición a toxinas. Pueden ser de gran ayuda en la medicina de precisión al permitir a investigadores y científicos identificar posibles efectos secundarios. Además, los wearables ofrecen información sobre condiciones ambientales, como temperatura y calidad del aire, para estudiar sus efectos en los sistemas biológicos.
Ahora, echemos un vistazo a algunas empresas que están desarrollando soluciones wearables.
#1. Google-Acquired Fitbit
Esta es una marca bastante conocida en la industria wearable por sus rastreadores de fitness que monitorean diversas métricas de salud como niveles de actividad, frecuencia cardíaca y patrones de sueño. Además, ofrece una plataforma de coaching que brinda soluciones para investigadores, sistemas de salud y bienestar corporativo. Fitbit se centra principalmente en el fitness del consumidor y ha estado asociándose con empresas de salud.
A principios de este año, Fitbit de Google se asoció con la empresa de pruebas de laboratorio Quest Diagnostics (DGX ) para estudiar cómo las tecnologías wearables pueden mejorar la salud metabólica y posiblemente prevenir enfermedades como accidente cerebrovascular, diabetes y demencia, entre otras. Otra colaboración fue con ViviHealth para análisis predictivos y prescriptivos que transformen los centros de salud conductual.
GOOGL Gráfico de precios
Google es una empresa con capitalización de mercado de $1.9 trillion, con su acción a $153.16, un aumento del 9.5 % YTD. Los ingresos de la compañía (TTM) han sido $307.39 bln, EPS (TTM) de 5.80, y P/E (TTM) de 26.41.
#2. Garmin
La empresa produce dispositivos wearables para actividades de fitness con funciones de monitoreo de frecuencia cardíaca, niveles de estrés e incluso oximetría de pulso. Su serie Venu rastrea patrones corporales y la calidad del sueño y se sincroniza con smartphones Android y Apple (AAPL ) para mayor comodidad. A través de sus dispositivos, Garmin ayuda a los usuarios a mantener sus objetivos de salud y busca mejorar la salud general de la sociedad, promover el bienestar y reducir el consumo de servicios de salud.
La empresa comenzó hace tres décadas con sus productos de navegación GPS de vanguardia para la industria de la aviación, para luego expandirse a los mercados marítimo, automotriz, al aire libre y de fitness. Su enfoque actual está en expandirse en el mercado indio y capturar su creciente base de consumidores de clase media.
#3. Abbott Laboratories
La empresa desarrolla varios dispositivos médicos, incluidas tecnologías wearables. Esto incluye FreeStyle Libre, un pequeño sensor circular adherido al brazo superior que brinda lecturas de glucosa en tiempo real para personas con diabetes, ayudándolas a gestionar su condición de manera más eficaz. El sensor de glucosa wearable líder en el mercado tiene más de 5 million usuarios en todo el mundo.
ABT Gráfico de precios
Además de la diabetes, la empresa con sede en Illinois también ofrece servicios en movimiento físico y cardiología. Con una capitalización de mercado de $193.62 bln, las acciones de la compañía cotizan a $111.56, un aumento del 1.53 % YTD. Los ingresos de la compañía (TTM) han sido $40.10 bln, EPS (TTM) de 3.27, y P/E (TTM) de 34.10.
#4. BioTelemetry Inc.
Ahora parte de Philips, BioTelemetry ofrece sistemas de monitoreo médico remoto, incluidos dispositivos wearables para el monitoreo cardíaco. Estos sensores wearables rastrean anomalías del ritmo cardíaco y otras métricas cardíacas en tiempo real. A finales de 2020, Philips adquirió BioTelemetry en una operación de $2.8 billion.
Conclusión
El mercado de tecnologías wearables está en auge y está proyectado a superar los $118 bln para 2026. Después de todo, los wearables están ingresando a una amplia gama de industrias, desde el fitness, la educación y el entretenimiento hasta los viajes y la moda.
Sin embargo, con el aumento de las preocupaciones de salud, los wearables están creando un impacto significativo en nuestros hábitos, salud y vida. Aunque estos dispositivos se están volviendo cada vez más sofisticados, el problema de la batería es algo que debe resolverse.
Como podemos ver aquí, se están realizando estudios para prolongar la vida útil de los wearables y ayudarles a combatir enfermedades como el cáncer. En el futuro, los avances tecnológicos y la investigación ayudarán a que los wearables sean aún mejores al proporcionar atención personalizada y mejorar significativamente los resultados de los pacientes.
