Electrónica Interna – Cerrando la Brecha con Oro

El mercado de los dispositivos médicos implantables está creciendo de manera constante, impulsado por un aumento de trastornos crónicos y una mayor conciencia del consumidor. El ritmo está sólidamente respaldado por avances tecnológicos, que ayudan a que estos dispositivos sean más eficientes, convenientes y de bajo costo. 

Las cifras sugieren que el mercado de dispositivos médicos implantables a nivel mundial casi se duplicará en una década, pasando de US$105.7 mil millones en 2023 a US$207.0 mil millones en 2033. Hoy, comenzaremos analizando una de las innovaciones más definitorias en este campo en tiempos recientes, que también es sintomática del próspero espacio donde la fisiología médica se cruza con la electrónica eficiente. 

Los nanohilos de oro y los electrodos blandos están listos para conectarse al sistema nervioso 

Un equipo de investigadores de la Universidad de Linköping ha creado nanohilos de oro y desarrollado electrodos blandos que pueden funcionar de manera equivalente a los nervios humanos en su elasticidad, conducción eléctrica y durabilidad dentro del cuerpo. 

Los investigadores y expertos ven un inmenso potencial en esta innovación. Para empezar, abre fronteras donde podría ser posible usar oro en interfaces blandas para conectar la electrónica al sistema nervioso con fines médicos. 

Si se implementa correctamente, esto puede aliviar afecciones tan complejas como la epilepsia, Parkinson’s enfermedad, la parálisis y una preocupación tan ubicua como el dolor crónico. 

Durante bastante tiempo, los investigadores de todo el mundo han estado interesados en crear electrodos blandos que no dañen el tejido. Este logro particular de los investigadores de la Universidad de Linköping ayudó a lograrlo creando nanohilos de oro que eran mil veces más delgados que un cabello y estaban incrustados en un material elástico que podía funcionar como microelectrodos blandos. 

Klas Tybrandt, al elaborar sobre la singularidad de la investigación y sus resultados, dijo lo siguiente:

“Hemos logrado crear un nuevo y mejor nanomaterial a partir de nanohilos de oro combinados con una goma de silicona muy blanda. Hacer que trabajen juntos ha dado como resultado un conductor con alta conductividad eléctrica, muy blando y fabricado con materiales biocompatibles que funcionan con el cuerpo.”

Creación de nanohilos de oro: desafíos cumplidos y superados

Una de las principales dificultades que enfrentaron los investigadores estaba relacionada con la producción de nanostructuras de oro largas y estrechas. Los investigadores idearon una forma única de superar este desafío, y fue mediante el uso de nanohilos de plata. Explicando cómo se pudo lograr esta hazaña única, Klas Tybrant dijo lo siguiente:

“Como es posible fabricar nanohilos de plata, aprovechamos esto y usamos el nanohilo de plata como una especie de plantilla sobre la cual cultivamos oro. El siguiente paso del proceso es eliminar la plata. Una vez hecho, tenemos un material que contiene más del 99 por ciento de oro.”

Originalmente, los investigadores no podían usar plata porque es químicamente reactiva, se desgasta con el tiempo y corre el riesgo de descomponerse y decolorarse. Además, altas concentraciones de plata pueden ser tóxicas para el cuerpo humano. Por lo tanto, tuvieron que recubrirla con oro.

En cuanto al material que han ideado y su durabilidad, los investigadores creen que su solución podría durar al menos tres años, superando a muchos nanomateriales desarrollados previamente.

Pronto, el equipo de investigación comenzará a trabajar en refinar el material y crear diferentes tipos de electrodos que serán aún más pequeños y podrán acercarse más a las células nerviosas.

El diverso mundo de los implantables

Aunque la utilidad de esta investigación ya ha sido citada, hay muchos otros implantables disponibles en el espacio med-tech. Ayudan a que el diagnóstico y el tratamiento sean más consistentes, asequibles y eficientes. 

Por ejemplo, científicos de la Universidad Georgia Tech han desarrollado un sensor implantable y portátil que monitorea la curación de aneurismas dentro de los vasos sanguíneos del cerebro. Como funciona sin baterías, puede envolver stents o desviadores que se implantan para regular el flujo sanguíneo.

El sensor se crea mediante impresión 3D de chorro aerosol, que deposita trazas conductoras de plata sobre sustratos elastoméricos. Insertado a través de un catéter, utiliza acoplamiento inductivo de señales para la detección inalámbrica de la hemodinámica biomimética de aneurismas cerebrales.

El proceso involucra tres bobinas. Una bobina captura energía electromagnética transmitida desde otra bobina fuera del cuerpo. A medida que la sangre fluye a través del stent, el sensor implantado cambia su capacitancia, alterando la señal transmitida a una tercera bobina externa.

En otro caso de una línea de trabajo similar, un grupo de ingenieros de la Universidad Texas A&M ha desarrollado un dispositivo que utiliza grafeno e inyecta corriente alterna en la piel para monitorear la presión arterial. 

Llamados Graphene Electronic Tattoos, estos sensores de grafeno adheribles pueden rastrear la salud cardiovascular mediante monitoreo continuo. Pueden seguir funcionando y recopilando datos relevantes incluso cuando el paciente está durmiendo, haciendo ejercicio o experimentando situaciones de alto estrés. 

La investigación también está en curso para determinar cómo estos dispositivos implantables pueden aprovechar y utilizar energía. Por ejemplo, un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts ha desarrollado una batería que extrae su energía de la glucosa. La novedosa batería mide solo 400 nanómetros de grosor, aproximadamente 1/100 del diámetro de un cabello humano. Genera alrededor de 43 microwatios por centímetro cuadrado de electricidad y puede soportar temperaturas hasta 600 ° C. 

Los investigadores utilizaron un sustrato cerámico ultrafino y una solución de glucosa para dotar a la batería de flexibilidad y facilitar su colocación dentro del cuerpo. 

Mientras los investigadores trabajan para idear tantas soluciones tecnológicas novedosas y únicas como sea posible, algunas empresas han estado trabajando en hacer que los dispositivos implantables eficientes estén disponibles para una adopción masiva. En los próximos segmentos, examinaremos un par de esas soluciones comerciales. 

#1. CorTec

Una de las empresas que ha entregado consistentemente soluciones innovadoras es CorTec. Una empresa ISO 13485, CorTec desarrolla y fabrica productos y componentes para la neuromodulación y la tecnología de implantes activos en sus laboratorios internos y su infraestructura de salas limpias. 

La gama patentada de electrodos AirRay de CorTec resulta útil para la estimulación y el registro del tejido nervioso, sirviendo como la interfaz ideal al sistema nervioso para dispositivos médicos. 

Por ejemplo, los electrodos de manguito AirRay proporcionan una interfaz eléctrica al sistema nervioso periférico, mientras que los electrodos de malla y de tira están diseñados para interfazar con el sistema nervioso central. Los electrodos percutáneos AirRay están destinados al uso subcutáneo, así como para registrar y estimular la médula espinal. Por último, los electrodos tipo pala AirRay ofrecen una interfaz eléctrica al sistema nervioso central, específicamente dirigidos a la médula espinal.

Además de esta gama, una de las soluciones patentadas de CorTec también incluye sus electrodos corticales. Estos son CorTec electrodos ECoG para monitoreo neurológico invasivo. A través de estos electrodos, es posible llevar a cabo el monitoreo de señales eléctricas cerebrales, lo cual está en línea con los requisitos de la localización de focos epileptogénicos o mapeo cerebral. Los electrodos pueden ser utilizados durante un máximo de 29 días, y es posible conectar un total de 64 electrodos usando solo dos cables. Los contactos de los electrodos son casi imperceptibles y se bloquean de forma segura con el material para evitar su separación del silicón.

Uno de los aspectos más cruciales de los electrodos corticales de CorTec es que la FDA los ha considerado aptos para la aprobación y autorización de mercado para el monitoreo neurológico invasivo en el sistema nervioso central. La cartera de productos incluye todas las posibles disposiciones de contactos, desde 1×4 hasta 8×8 contactos de electrodos.

Además de una importante financiación pública, CorTec, según su declaración oficial, ha recaudado cuatro rondas de financiación. Su lista de inversores actuales incluye Mangold Invest, M-Invest, Kfw, High-Tech Gründerfonds, Santo Venture Capital GmbH, LBBW Venture Capital y K & S W Invest. 

La financiación pública incluye subsidios del Ministerio Federal Alemán de Educación e Investigación (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF) y de la Unión Europea.

#2. Atrotech

Otra empresa que ha estado realizando un trabajo algo especializado pero revolucionario en este campo durante décadas es Atrotech. Fundada en 1984 y ubicada en Technopolis Hermia, Tampere, Finlandia, Atrotech surgió como resultado de ideas de productos interdisciplinarios que combinaron las ciencias médicas y de bioingeniería, con el enfoque principal de sus actividades en el campo de la estimulación eléctrica funcional (FES). 

Dos de las principales contribuciones de Atrotech en este campo incluyen el diseño y la fabricación de neuroestimuladores implantables y electrodos implantables. 

Al diseñar los electrodos, la empresa aprovecha sus más de 30 años de experiencia en la fabricación de electrodos de contacto de platino de alta calidad, cables conductores y conectores multipolo. El área de servicio a la que se dirige incluye proyectos de investigación, ensayos clínicos y dispositivos médicos distribuidos comercialmente. 

La empresa tiene un proceso de producción flexible, lo que le permite fabricar pequeñas cantidades así como volúmenes a mayor escala de manera rápida y rentable. Además, la empresa está en contacto con múltiples médicos y universidades en las etapas iniciales del desarrollo y prototipado de posibles nuevos dispositivos médicos.

Uno de los estudios que la empresa financió recientemente tenía como objetivo evaluar la viabilidad y seguridad de un nuevo enfoque de neuroestimulación temporal, removible y quirúrgicamente implantado, que involucra la porción distal del nervio frénico. Para el estudio, la empresa desarrolló un electrodo estimulador del nervio frénico temporal (tPNS) especialmente diseñado. 

Tal colaboración entre empresas especializadas y enfocadas en la industria y un conjunto de investigadores y médicos distribuidos por todo el mundo hace que el futuro de la electrónica interna parezca brillante y listo para florecer. 

La trayectoria futura de la electrónica interna

Según una investigación reciente investigación publicada en julio de 2024 en la revista ‘Nature’, los investigadores han desarrollado un electrodo implantable basado en una aleación bioresorbible de Mg-Nd-Zn-Zr que funcionaría bien en una aplicación de soldadura de tejido por radiofrecuencia (RF) de próxima generación.

El electrodo se espera que reduzca el daño térmico y aumente la resistencia anastomótica. Diseñado con diferentes características estructurales de superficie cilíndrica (CS) y anillo largo continuo (LR) en el área de soldadura, el electrodo electrotermal fue estudiado mediante análisis de elementos finitos (FEA).

Los resultados mostraron que la temperatura media en el área de soldadura y la proporción de tejido necrótico disminuyeron significativamente al aplicar una corriente alterna de 110 V durante 10 segundos al electrodo LR. Las temperaturas máxima y media de los tejidos soldados por el electrodo LR también pudieron reducirse significativamente mientras la resistencia anastomótica del tejido soldado mejoraba.

Imec, un laboratorio fundado en 1984 para ayudar y permitir que la industria de semiconductores escale funcionalmente, también ha realizado algunos avances pioneros en implantables a nanoescala. Ha ayudado a desarrollar implantes mínimamente invasivos adecuados para prótesis hápticas de próxima generación. El chip implantable prototipo que Imec ha desarrollado junto con la Universidad de Florida brinda a los pacientes un control más intuitivo sobre sus prótesis de brazo. Uno de sus componentes principales, el chip de silicio delgado, es el primer del mundo en densidad de electrodos y fue desarrollado como parte del proyecto IMPRESS financiado por DARPA’s programa HAPTIX para crear un sistema de bucle cerrado para la tecnología de prótesis hápticas de próxima generación.

Una de las publicaciones científicas sobre la importancia de la bioelectrónica implantable basada en carbono hizo una observación crucial sobre la utilidad de la electrónica interna. Para citar literalmente, la publicación observa:

“Porque la bioelectrónica implantable puede detectar información corporal o provocar reacciones corporales en seres vivos desde sitios fuera del cuerpo, se está convirtiendo en un remedio útil y prometedor para una variedad de dolencias.”

En el futuro, los materiales de carbono desempeñarán un papel crucial en la fabricación de electrónica médica implantable. Estas ventajas incluyen la biocompatibilidad de alta calidad, la resistencia a la fatiga y la baja densidad específica de los materiales de carbono. Estos materiales se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, incluidos dispositivos de liberación de fármacos, biosensores, estimuladores terapéuticos y almacenamiento de energía. Todas estas propiedades tienen un papel en los campos neurológico, cardiovascular, gastrointestinal y locomotor.

Los actuadores, biosensores, sistemas de liberación de fármacos y fuentes de energía implantables—todos se benefician de los avances en el campo de la electrónica interna o implantable. Un mayor progreso en esta área requerirá un enfoque más interseccional que involucre a investigadores de biociencias, científicos de materiales y físicos de todo el mundo.

Haga clic aquí para obtener una lista de las principales acciones biotecnológicas.