Baterias Internas Poderiam Alimentar Wearables de Próxima Geração e Até Combater o Câncer?

A tecnologia vestível tem remodelado nossas vidas diárias há algum tempo, e só tende a crescer a partir de agora, como evidenciado pelo mercado de dispositivos vestíveis, que foi avaliado em US$ 61,30 bilhões em 2022. Só naquele ano, mais de 490 milhões de unidades vestíveis foram enviadas aos consumidores. 

Impulsionados pela inovação, os wearables têm moldado tendências que abrangem indústrias desde a sustentabilidade ambiental até a saúde, onde esses eletrônicos transformaram o monitoramento de saúde, terapias, diagnóstico de doenças e cicatrização de feridas. Para operar de forma confiável, esses dispositivos dependem de baterias que não são apenas biocompatíveis, mas também possuem capacidade suficiente.

A maioria dos dispositivos implantáveis é alimentada por baterias tradicionais como Ag‑Zn (prata‑zinco) e Li‑I₂ (lítio‑iodo). Essas baterias convencionais, porém, têm capacidade limitada e apresentam risco de segurança devido ao vazamento de eletrólitos orgânicos.  

Seladas e utilizadas para alimentar dispositivos implantáveis, a capacidade das baterias Ag‑Zn e Li‑I₂ é restringida pela sua massa, o que limita sua vida útil. É aqui que um novo estudo propõe a utilização de componentes que os organismos vivos contêm naturalmente. Esses componentes incluem suor, enzimas, glicose e oxigênio dissolvido, que podem ser usados como fontes contínuas de energia para baterias.

Usar componentes ativos como O₂ e glicose como cátodos/ânodos que podem ser obtidos continuamente por meio do metabolismo demonstra bom desempenho eletroquímico tanto in vitro quanto in vivo. 

Publicado na Cell Press, o estudo propõe baterias metal‑O₂, que usarão O₂ como componente ativo no cátodo e serão montadas com um ânodo metálico. Dessa forma, elas fornecerão densidades de energia extremamente altas, de 5 a 10 vezes maiores que as baterias implantáveis atualmente disponíveis. 

Teoricamente, as baterias Li‑O₂ e Sódio‑oxigênio (Na‑O₂) oferecem densidades de energia diferentes de 3.458 e 1.605 Wh/kg, respectivamente. Esses valores superam em muito os das baterias de íon‑lítio atuais.

O estudo foi conduzido por Yang Lv, Xizheng Liu, Jiucong Liu e Yi Ding, todos afiliados ao Laboratório de Materiais Porosos Funcionais Avançados, Instituto de Novos Materiais Energéticos & Tecnologias de Baixo Carbono, Escola de Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade de Tecnologia de Tianjin, China. 

Outros pesquisadores incluíram Shuang Wu e Pingli Wu da Faculdade de Química e Ciência dos Materiais, Instituto de Ciências da Vida e Desenvolvimento Verde, Universidade de Hebei, China; Shuangyong Sun da Escola de Farmácia da Universidade Médica de Tianjin; e Yonggang Wang do Departamento de Química e Laboratório‑Chave de Xangai de Catálise Molecular e Materiais Inovadores, Instituto de Nova Energia, iChEM, Universidade Fudan, China.

O estudo recebeu apoio financeiro da Fundação Nacional de Ciências Naturais da China, do Programa Nacional‑Chave de Pesquisa e Desenvolvimento da China e do Fundo Nacional de Ciências para Jovens Pesquisadores Distintos.

Bateria Na‑O₂ Implantável e Biocompatível

O oxigênio é essencial à vida e onipresente nos tecidos vivos. Da mesma forma, o sódio, outro elemento essencial, está amplamente presente em nossos corpos na forma de Na⁺. Essa onipresença torna as baterias metal‑O₂ uma perspectiva promissora para fontes de energia constantemente reabastecidas. 

Embora o sódio tenha sido desenvolvido como um ânodo promissor para baterias recarregáveis, as baterias Na‑O₂ têm sido particularmente populares devido ao seu baixo custo, altas densidades de energia teóricas e potencial de uso em redes inteligentes e eletrônicos portáteis. Além disso, o produto de descarga das baterias Na‑O₂ pode ser facilmente metabolizado no fígado e nos rins, aumentando ainda mais seu apelo.

Dessa forma, as baterias Na‑O₂ podem atender aos requisitos de fornecimento contínuo de matéria‑prima e ao metabolismo do produto in vivo.

Assim, não é a primeira vez que pesquisadores focam nas baterias Na‑O₂. Em 2018, um estudo destacou seu potencial graças à sua alta densidade de energia teórica e recursos abundantes, ao mesmo tempo chamando atenção para sua cinética lenta devido à formação de produtos de descarga de grande tamanho com formas cúbicas ou irregulares.

Outro artigo de Hossein Yadegari e Xueliang Sun do Departamento de Engenharia Mecânica e de Materiais da Universidade de Western Ontario observou que as baterias Na‑O₂ surgiram como uma alternativa energeticamente eficiente às baterias Li‑O₂. Elas dependem da química reversível de superóxido, com suas células exibindo menor sobrepotencial de carga em comparação com suas contrapartes de lítio, o que pode ser traduzido em alto desempenho de ciclagem.

Entretanto, apontou‑se que a interação entre o par iônico é insuficiente para impedir o ataque nucleofílico do O₂ contra o eletrólito da célula. Além disso, a estabilidade intrínseca do NaO₂ e a maior reatividade química do Na metálico apresentam desafios no avanço das baterias Na‑O₂. Embora haja poucos relatos sobre essas baterias, as vantagens potenciais significativas das baterias metal‑O₂ implantáveis ressaltam a importância de enfrentar os desafios existentes.

O estudo mais recente destaca a necessidade de que baterias usadas in vivo possuam arquitetura aberta, garantindo a adsorção de O₂ dos fluidos corporais. Além disso, enfatiza a importância de selecionar componentes que apresentem boa biocompatibilidade para evitar rejeição e reações. Ademais, por serem altamente reativas, o ânodo à base de Na deve ser bem protegido. O design da bateria também precisa ser flexível para permitir contato estável e íntimo com tecidos moles.

Como resultado, a equipe propõe um design inovador de bateria Na‑O₂ que utiliza uma liga estável à base de Na (NaGaSn) como ânodo (de onde a eletricidade entra) e um cátodo de ouro nanoporous (NPG) (por onde a eletricidade sai), separados por uma membrana de troca iônica (Nafion).

Em vez de usar Na metálico puro, os pesquisadores optaram por uma liga ternária NaGaSn para melhorar a segurança e as propriedades anticorrosivas em organismos vivos. Enquanto isso, o NPG foi usado como cátodo em baterias metal‑ar para a reação de redução de oxigênio. Durante a descarga, o O₂ é fornecido continuamente pelos fluidos corporais e reduzido via catálise do NPG. 

Resultados Promissores, Aplicações Potenciais 

À medida que a eletrônica implantável ganha tração devido ao seu potencial de revolucionar o monitoramento de saúde personalizado e a terapia de precisão, a importância das baterias implantáveis cresce proporcionalmente. Aqui, o uso de componentes ativos de organismos vivos pode fornecer fontes de energia de longo prazo, reduzindo a necessidade de substituir baterias repetidamente por processos cirúrgicos, oferecendo uma solução mais sustentável a longo prazo. 

O estudo desenvolveu com sucesso uma bateria Na‑O₂ implantável e biocompatível com estrutura de cátodo aberto que opera suavemente. Em ratos, a bateria laminada alcançou densidade de potência de 2,6 μW/cm² a 1,3 V, demonstrando excelente biocompatibilidade in vivo. 

Os resultados não mostraram inflamação significativa ao redor das baterias implantadas. Além disso, capilares se regeneram bem ao redor do cátodo, fornecendo uma fonte contínua de O₂ para a bateria. 

Enquanto isso, o catalisador de cátodo NPG permitiu que a bateria atingisse excelente estabilidade, o que, segundo o estudo, torna o NPG a “escolha inevitável” como cátodo da bateria Na‑O₂. A membrana PLCL produzida por eletrofiação ajudou a melhorar a biocompatibilidade, e a estrutura porosa da membrana, que servia como canais para o transporte de massa e eletrólito, permitiu a permeação de fluidos corporais e a difusão de O₂. 

Quanto aos íons Na⁺ e OH⁻ produzidos durante o processo de descarga, eles entraram na corrente sanguínea sem causar perturbação eletrolítica, e seu metabolismo no corpo não resultou em anomalias no fígado ou nos rins. 

Os resultados do estudo também mostraram potencial promissor como fonte de energia para eletrônicos micro‑implantáveis. Além disso, o consumo de O₂ dos fluidos corporais destaca as possíveis aplicações da bateria Na‑O₂ em campos de investigação biológica e médica. Segundo o estudo:

“Nossa bateria Na‑O₂ revoluciona o conceito de baterias implantáveis; o consumo de O₂ durante a descarga resulta em uma função de desoxigenação, que também oferece um novo caminho para combinar implantes bioeletrônicos e bioterapia voltados a doenças associadas a ambientes anaeróbicos.” 

Portanto, a bateria Na‑O₂ claramente tem grande potencial, mas não se limita apenas a alimentar wearables; ela pode ter usos muito maiores, incluindo aplicações contra o câncer e monitoramento da cicatrização de feridas.

O estudo ainda observou que demência senil e câncer estão intimamente relacionados aos níveis de oxigênio nos tecidos relevantes. Uma bateria auto‑carregável de água salgada recentemente relatada para terapia antitumoral, ao consumir O₂, abre um novo caminho para combinar implantes bioeletrônicos e bioterapia.

Controlar precisamente a concentração de O₂ na bateria presente demonstra capacidades terapêuticas potenciais contra doenças causadas por agregação de oxigênio ou bactérias patogênicas. Além disso, os catalisadores no cátodo das baterias Na‑O₂ podem reduzir os radicais superóxido que causam demência senil, destacando suas possíveis aplicações nesses campos também. 

Assim, embora muitos desafios ainda precisem ser superados, a bateria Na‑O₂ (Sódio‑Oxigênio) é “altamente promissora e pode desencadear uma nova revolução no campo de dispositivos implantáveis, levando ao desenvolvimento de novos métodos para o tratamento de diversas doenças”, afirmou o estudo.

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Soluções Wearables de Biotecnologia em Desenvolvimento  

A tecnologia vestível trata principalmente de dispositivos eletrônicos usados no corpo para monitorar métricas. Hoje, esses dispositivos estão avançando em uma ampla gama de indústrias, da medicina, esportes e fintech à manufatura e mais.

Na indústria esportiva, os dispositivos vestíveis fornecem aos atletas dados em tempo real e feedback sobre seu desempenho. Óculos de sol inteligentes, calçados e roupas utilizam sensores para rastrear e monitorar frequência cardíaca, passos e atividade física, entre várias outras métricas. Essas informações podem então ser usadas para melhorar áreas específicas e ajustar planos de fitness e treinamento conforme necessário. 

No setor de manufatura, esses dispositivos ajudam a garantir a segurança no local de trabalho ao fornecer alertas e informações em tempo real sobre situações potencialmente perigosas. Ao mesmo tempo, ao rastrear a eficiência e produtividade dos trabalhadores, eles ajudam a identificar áreas de melhoria e fazer ajustes adequados nos fluxos de trabalho.

É, porém, na indústria de saúde que a tecnologia vestível, por meio de dispositivos como smartwatches, rastreadores de fitness, biossensores, monitores de pressão arterial e monitores de eletrocardiograma (ECG), realmente está revolucionando as coisas. 

Os wearables permitem que os usuários coletem seus próprios dados de saúde e, com base neles, tomem medidas. Profissionais de saúde podem mitigar situações de risco de vida por meio do monitoramento de pacientes em tempo real, facilitado pelos wearables. 

Esses dispositivos rastreiam e monitoram sinais vitais e dados de saúde, permitindo que médicos e cuidadores identifiquem possíveis problemas de saúde e forneçam intervenções oportunas. Eles também fornecem a pesquisadores e médicos insights valiosos para avançar a pesquisa clínica e desenvolver novas terapias e tratamentos.

Enquanto isso, provedores e seguradoras podem utilizar esses dispositivos para oferecer planos de saúde mais precisos e personalizados. As organizações também os utilizam para incentivar hábitos saudáveis entre os funcionários.

No setor de biotecnologia, os wearables permitem monitoramento fisiológico não invasivo, bem como o estado de doença e exposições a toxinas. Eles podem ser de grande ajuda na medicina de precisão ao permitir que pesquisadores e cientistas identifiquem possíveis efeitos colaterais. Além disso, os wearables oferecem insights sobre condições ambientais, como temperatura e qualidade do ar, para estudar seus efeitos em sistemas biológicos. 

Agora, vamos dar uma olhada em algumas empresas que desenvolvem soluções vestíveis. 

#1. Fitbit adquirido pela Google 

Este é um nome bastante conhecido na indústria de wearables por seus rastreadores de fitness que monitoram diversas métricas de saúde, como níveis de atividade, frequência cardíaca e padrões de sono. Além disso, oferece uma plataforma de coaching que fornece soluções para pesquisadores, sistemas de saúde e bem‑estar corporativo. O Fitbit foca principalmente em fitness de consumo e tem feito parcerias com empresas de saúde.

No início deste ano, o Fitbit da Google fez parceria com a empresa de testes laboratoriais Quest Diagnostics (DGX ) para estudar como tecnologias vestíveis podem melhorar a saúde metabólica e possivelmente prevenir doenças como AVC, diabetes e demência, entre outras. Outra parceria foi com a ViviHealth para análises preditivas e prescritivas que transformam centros de saúde comportamental.

A Google é uma empresa com capitalização de mercado de US$ 1,9 trilhão, cujas ações estão em US$ 153,16, alta de 9,5 % no ano. A Receita da empresa (TTM) foi de US$ 307,39 bi, EPS (TTM) de 5,80 e P/E (TTM) de 26,41.

#2. Garmin 

A empresa produz dispositivos vestíveis para atividades físicas com recursos de monitoramento de frequência cardíaca, níveis de estresse e até oximetria de pulso. Sua série Venu rastreia padrões corporais e qualidade do sono e se conecta a smartphones Android e Apple (AAPL ) para maior conveniência. Por meio de seus dispositivos, a Garmin ajuda os usuários a manter metas de saúde e busca melhorar a saúde da sociedade, promover bem‑estar e reduzir o consumo de serviços de saúde.

A empresa começou há três décadas com seus produtos de navegação GPS de ponta para a indústria de aviação, expandindo depois para os mercados marítimo, automotivo, ao ar livre e de fitness. Seu foco atual está na expansão no mercado indiano e na captura da crescente base de consumidores da classe média.

#3. Abbott Laboratories

A empresa desenvolve diversos dispositivos médicos, incluindo tecnologias vestíveis. Isso inclui o FreeStyle Libre, um pequeno sensor circular preso ao braço superior que fornece leituras de glicose em tempo real para pessoas com diabetes, ajudando-as a gerenciar a condição de forma mais eficaz. O sensor de glicose vestível líder de mercado tem mais de 5 milhões de usuários ao redor do mundo.

Além da diabetes, a empresa de Illinois também oferece serviços em movimento físico e cardiologia. Com capitalização de mercado de US$ 193,62 bi, as ações da empresa são negociadas a US$ 111,56, alta de 1,53 % no ano. A Receita da empresa (TTM) foi de US$ 40,10 bi, EPS (TTM) de 3,27 e P/E (TTM) de 34,10.

#4. BioTelemetry Inc. 

Agora parte da Philips, a BioTelemetry fornece sistemas de monitoramento médico remoto, incluindo dispositivos vestíveis para monitoramento cardíaco. Esses sensores vestíveis rastreiam anomalias de ritmo cardíaco e outras métricas cardíacas em tempo real. No final de 2020, a Philips adquiriu a BioTelemetry em um acordo de US$ 2,8 bi.

Conclusão

O mercado de tecnologias vestíveis está em plena expansão e deve ultrapassar US$ 118 bi até 2026. Afinal, os wearables estão entrando em uma ampla gama de indústrias, do fitness, educação e entretenimento até viagens e moda. 

Entretanto, com o aumento das preocupações de saúde, os wearables estão criando um impacto significativo em nossos hábitos, saúde e vidas. Embora esses dispositivos estejam se tornando cada vez mais sofisticados, o problema da bateria é algo que precisa ser resolvido. 

Como podemos ver aqui, estudos estão sendo conduzidos para prolongar a vida útil dos wearables e ajudá‑los a combater doenças como o câncer. No futuro, avanços tecnológicos e pesquisas ajudarão os wearables a oferecer cuidados personalizados ainda melhores e melhorar significativamente os resultados dos pacientes.

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