Nueva tecnología de ultrasonido alimenta implantes médicos de forma inalámbrica

El desafío de alimentar implantes médicos avanzados

Improving the human body, or replacing defective parts, has been a goal of medicine as long ago as the first crude prosthesis of antiquity. Progressively, as mechanical components become more complex, the idea of replacing parts of the body became increasingly popular among science fiction enthusiasts, leading to the idea of cyborgs, people that would be half-human, half-machine.

Hasta cierto punto, podríamos argumentar que esto ya está ocurriendo, con cirugías como implantes de marcapasos o cirugías de cadera realizadas rutinariamente y que complementan problemas en el músculo cardíaco o la articulación de los pacientes, mejorándolos con implantes metálicos.

A medida que los implantes neuronales y otros implantes médicos avanzados se convierten en una realidad probable en la próxima década, nos estamos acercando más que nunca a crear verdaderos cuerpos cibernéticos.

Sin embargo, sigue existiendo un problema recurrente para la mayoría de los implantes médicos: el suministro de energía. Los marcapasos se conforman con baterías muy pequeñas porque solo necesitan niveles de potencia muy limitados. Pero los implantes como los chips neuronales probablemente requerirán mucha más energía.

Los métodos tradicionales de carga inalámbrica, como la inducción electromagnética y los sistemas basados en radiofrecuencia comúnmente usados en teléfonos inteligentes y auriculares, enfrentan varios desafíos.

Pueden ser vulnerables a problemas como distancias de transmisión cortas, baja eficiencia energética en tejidos biológicos y vulnerabilidad a interferencias electromagnéticas.

Otro método podría volverse posible, según el trabajo de investigadores de la Universidad de Corea, el Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología (KIST), la Universidad Sungkyunkwan (SKKU – Corea del Sur), la Universidad Yonsei (Corea del Sur) y la Universidad de California.

Desarrollaron una forma de recargar dispositivos médicos de manera inalámbrica usando ultrasonidos en su lugar. Publicaron su descubrimiento en Advanced Materials¹, bajo el título “A Body Conformal Ultrasound Receiver for Efficient and Stable Wireless Power Transfer in Deep Percutaneous Charging”.

Por qué la energía inalámbrica tiene dificultades para penetrar el tejido humano

Los dispositivos médicos implantables electrónicos (IMD) se utilizan en aplicaciones terapéuticas de enfermedades o lesiones, como la terapia de neuroestimulación y la curación/monitorización cardiovascular.

Necesitan cirugías regulares para el reemplazo de la batería, lo que puede provocar complicaciones en los pacientes como infecciones en el sitio quirúrgico, formación de biofilm y altos costos de atención médica.

Algunos métodos buscan utilizar la energía ambiental del cuerpo, como la del azúcar en sangre, para alimentar estos dispositivos.

Para algunas aplicaciones, los requisitos de energía hacen que esas opciones sean poco realistas. Para aplicaciones futuras como los implantes neuronales, esto es aún menos probable, lo que los mantendría muy invasivos.

La transferencia remota de energía con sistemas electromagnéticos o de ondas de radio penetra pobremente en los tejidos biológicos y puede causar efectos secundarios no deseados.

La transferencia inalámbrica de energía fotovoltaica también es inadecuada debido a problemas de baja penetración de luz dentro del tejido y daño térmico al tejido.

En contraste, los ultrasonidos son bien tolerados por los tejidos biológicos y pueden penetrar profundamente sin causar daño, por lo que se utilizan rutinariamente con fines diagnósticos, incluso en mujeres embarazadas.

Cómo el ultrasonido permite la carga inalámbrica de implantes

Gracias a su larga historia de uso en diagnósticos, el ultrasonido ya se beneficia de un amplio conjunto de estudios médicos y normas que determinan los niveles seguros de energía de los ultrasonidos que pueden usarse (la FDA define esto como un máximo de 0.72 W por centímetro cuadrado).

Dos tipos de dispositivos pueden convertir ultrasonido en electricidad: piezoeléctricos (US-PENGs) y nanogeneradores triboeléctricos (US-TENGs).

Los US-PENGs se han desarrollado para alimentar implantes electrónicos, pero comúnmente dependen de cerámicas piezoeléctricas a base de plomo, que a menudo son rígidas y pueden presentar problemas de toxicidad.

Por eso los investigadores se centraron en la tecnología US-TENG.

Este dispositivo recubierto biocompatible, con un grosor de 0.4 mm, logra una alta densidad de carga adecuada para alimentar dispositivos electrónicos hasta ≈6 cm de profundidad con intensidades de ultrasonido no invasivas.

Cómo funciona

Se utilizaron finas películas poliméricas para crear un US-TENG totalmente flexible, con capas de material plástico apiladas una sobre otra, incluyendo acrílico o poli-(metacrilato de metilo) (PMMA).

Fuente: Advanced Materials

Se utilizaron alquenos perfluoroalcoxílicos (PFA) por sus propiedades triboeléctricas bajo energía mecánica. Se depositó una capa nano‑escala de electrodo para mantener las propiedades únicas de la película de PFA.

También se utilizó una capa robusta de poliuretano (PU) y poli‑fluoruro de vinilideno‑trifluoroetileno, y titanato de calcio y cobre (P(VDF‑TrFE)pol/CCTO) para maximizar la producción de carga eléctrica.

Fuente: Advanced Materials

Probando el implante alimentado por ultrasonido en condiciones reales

Luego, todo el dispositivo se encapsuló en una solución de polidimetilsiloxano (PDMS) para impermeabilizarlo.

Este US-TENG flexible se probó en cuanto a rendimiento en agua, polímero/hidrogel y tejido porcino.

La primera aplicación práctica sería integrar este dispositivo en un marcapasos para que ya no sea necesario realizar cirugías adicionales para cambiar la batería del dispositivo.

Fuente: Advanced Materials

Paralelamente, se ha confirmado la biocompatibilidad del compuesto P(VDF‑TrFE)/CCTO en términos de citotoxicidad y genotoxicidad, verificando que es tan seguro en la práctica como afirmaban estudios previos.

La generación de energía se midió con precisión usando un vibrómetro láser, verificando la vibración del dispositivo. Esto confirmó una ganancia mejorada del 44 % del US‑TENG en comparación con la versión anterior de la tecnología de categoría similar.

Fuente: Advanced Materials

Finalmente, probaron la eficiencia del sistema según la intensidad del ultrasonido, la distancia y el ángulo de la fuente de ultrasonido, determinando si podría usarse en condiciones realistas para un dispositivo médico dentro del cuerpo humano.

Se confirmó que una intensidad de ultrasonido relativamente baja, una distancia de hasta 4‑8 centímetros (1,5‑3 pulgadas) y un rango relativamente amplio de ángulos podrían funcionar.

Fuente: Advanced Materials

Garantizando flexibilidad y durabilidad de los implantes médicos

Otro desafío de los dispositivos médicos implantables es que, idealmente, deben ser muy flexibles, porque el cuerpo humano no es un marco robótico y los órganos se mueven, especialmente el músculo cardíaco.

Por eso los investigadores no solo usaron materiales flexibles, sino que también midieron si permanecían lo suficientemente eficientes al doblarse.

Fuente: Advanced Materials

Descubrieron que perdía un poco de generación de energía al doblarse en una dirección, pero incluso ganaba algo al doblarse en la otra dirección. El aumento en la generación de energía se debió a una mayor captura de ondas de ultrasonido en el dispositivo con forma de cuenco y a un incremento de colisiones de ondas en la superficie del dispositivo.

Esto demostró que el dispositivo podía doblarse sin dañar o perder sus propiedades generadoras de energía.

A través de esta investigación, hemos demostrado que la tecnología de transmisión inalámbrica de energía mediante ultrasonido puede aplicarse de manera práctica.

Planeamos realizar más investigaciones para la miniaturización y comercialización con el fin de acelerar la aplicación práctica de la tecnología.

Dr. Sunghoon Hur – Investigador en KIST

Reflexiones finales: Próximos pasos para la tecnología de implantes de ultrasonido

Los dispositivos médicos que pudieran recargarse de forma inalámbrica representarían una mejora tremenda para millones de pacientes a nivel mundial.

Esto también eliminaría la limitación de ideas de implantes más ambiciosas que hasta ahora han estado constreñidas por la falta de una fuente de energía realista suficiente para realizar la tarea. Podría incluir implantes que entreguen medicamentos directamente al torrente sanguíneo, monitoricen químicos específicos, implantes neuronales, etc.

Esta tecnología de implantes podría desplegarse rápidamente, con solo 0,4 mm de grosor, gran flexibilidad, buena biocompatibilidad y facilidad de fabricación sin materiales exóticos raros.

La tecnología incluso podría encontrar aplicaciones más allá de los dispositivos médicos, ya que podría usarse fácilmente para recargar drones submarinos sin necesidad de contacto, eliminando la necesidad de crear cargadores eléctricos impermeables.

Invertir en HealthTech 

Philips es una conocida marca de electrónica de consumo (afeitadoras, cepillos de dientes eléctricos), igualmente activa en el sector sanitario. Por ejemplo, fue la número 1 en presentación de patentes MedTech en Europa en 2022.

Está activa en productos médicos conectados, desde wearables hasta imágenes, respiradores o robots médicos.

La compañía también está activa en semiconductores (incluida la tecnología maglev) y en alta tecnología/robótica/automatización, con cada actividad compartiendo una base tecnológica común.

Fuente: Philips

Philips ofrece wearables para métricas cardíacas, respiratorias y de actividad. Sus sensores pueden integrarse en relojes inteligentes, monitores de salud, parches médicos y rastreadores de actividad.

La experiencia de Philips en sensores biocompatibles, semiconductores y soluciones inalámbricas podría convertirla en líder de implantes médicos avanzados con carga inalámbrica.

Para dispositivos médicos, Philips favorece una solución de asociación, donde desarrolla para terceros sus dispositivos médicos IoT (Internet de las cosas) conectados totalmente compatibles con el resto de las soluciones de Philips. En ese contexto, ofrece a sus clientes prototipado, asesoría regulatoria, desarrollo de producto de extremo a extremo y producción a escala industrial.

Esto convierte a Philips en una empresa centrada en la tecnología y un candidato probable para integrar rápidamente innovaciones en dispositivos médicos existentes. En total, los dispositivos de Philips afectaban directamente a más de 1,8 mil millones de personas.

La compañía quiere crear un entorno de salud digital totalmente integrado, donde los sensores coincidan con los dispositivos, y luego usar múltiples soluciones de conectividad para integrarse en la solución Philips HealthSuite Cloud y permitir análisis de datos profundos.

Fuente: Philips

Como proveedor de la industria MedTech, a menudo fabricando para otras marcas, Philips no es tan visible en el sector como otras compañías más prominentes. Sin embargo, es experta en construir dispositivos electrónicos y sensores de alto rendimiento, a menudo empujando los límites de lo posible en su nicho de salud y wearables.

Con los wearables y la electrónica médica cada vez más integrados en los protocolos de salud y médicos, es probable que el segmento de Healthcare de Philips crezca como parte del conglomerado.

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Referencia del estudio:

^{1. Iman M. Imani, Hyun Soo Kim, et al. A Body Conformal Ultrasound Receiver for Efficient and Stable Wireless Power Transfer in Deep Percutaneous Charging. Advanced Materials. Volumen 37, Número 19. 12 de mayo de 2025}