Una nueva investigación sobre baterías inalámbricas recargables tiene como objetivo reducir los riesgos quirúrgicos

3D rindió la ilustración de un hombre con un marcapasos. Crédito: AdobeStock. Reservados todos los derechos.

5 de junio de 2023

por Jennifer Mathews

UNIVERSITY PARK, Pa. — Investigadores de Penn State están diseñando una nueva batería recargable inalámbrica para dispositivos electrónicos biomédicos, como marcapasos cardíacos, que permitirá cargarlos y administrarlos sin necesidad de una cirugía invasiva.

"Queremos optimizar el diseño de la batería y los materiales y combinarlo con la carga inalámbrica", dijo Feifei Shi, profesor asistente de ingeniería energética en el Departamento de Ingeniería de Energía y Minerales de la Familia John y Willie Leone en Penn State. "Actualmente, estamos limitados a la carga por cable, y la carga inalámbrica es definitivamente el futuro".

Los dispositivos biomédicos recrean funciones fisiológicas en el cuerpo humano que alivian el dolor crónico y mejoran enormemente la calidad de vida, y en las últimas décadas se ha visto un tremendo crecimiento en la tecnología electrónica e inalámbrica que defiende esta causa. Sin embargo, un desafío pendiente para los dispositivos médicos es la fuente de alimentación. La mayor parte de la mayoría de los dispositivos electrónicos implantables funcionan con baterías primarias que tienen una vida útil limitada y deben cargarse mediante cables. Con la longevidad humana en su punto más alto, los científicos necesitan una alternativa más confiable y de mayor duración a las baterías de yodo de litio que se utilizan actualmente.

"Hace diez años, este no era el problema", dijo Shi. "Pero hoy en día, los reemplazos de batería son mucho más frecuentes porque las personas viven más tiempo".

El primer marcapasos cardíaco implantado usaba una batería recargable de níquel-cadmio. Luego se desarrollaron las baterías de zinc-mercurio, que duraron más de dos años. Pero nada funcionó tan bien como la batería de yodo de litio, inventada en 1972. Estas baterías duran hasta 10 años y son el estándar de oro para muchos fabricantes de marcapasos cardíacos. Sin embargo, surgen problemas cuando las personas sobreviven a las baterías de sus marcapasos, a veces por décadas. Las cirugías de reemplazo de batería, si bien son relativamente seguras, no están exentas de riesgos, especialmente a una edad avanzada. Estos riesgos incluyen infección, coágulos de sangre, daño a los vasos sanguíneos o nervios, pulmones colapsados ​​y perforación cardíaca.

Para ayudar a resolver este problema, Shi recibió una subvención de $ 150,000 de Johnson & Johnson para un proyecto de tres años para desarrollar una batería recargable con la capacidad de cargarse de forma inalámbrica. El resultado será una batería de alta capacidad, primera en su tipo, que se puede cargar de forma remota dentro del cuerpo humano. Este nuevo sistema de batería recargable tiene el potencial de eliminar el riesgo de infección y otras complicaciones asociadas con la cirugía y proporcionar un suministro de energía más estable y duradero para permitir la integración de más sensores de diagnóstico de salud en los dispositivos médicos implementados. Si tiene éxito, dijo Shi, cree que este proyecto salvará vidas, minimizará el sufrimiento, reducirá costos y desencadenará la próxima revolución en dispositivos médicos implementables.

El primer paso será adoptar un método de carga inalámbrica no comercial existente que sea bioseguro y pueda penetrar el tejido muscular, haciendo posible la carga dentro del cuerpo. Para ello, realizarán pruebas a pequeña escala en algunos prototipos para encontrar la química óptima para este tipo de batería.

"Las investigaciones anteriores generalmente demuestran la carga inalámbrica en una bombilla o un condensador, nunca demuestran que pueden cargar una batería", dijo Shi. "Hay una diferencia entre encender una bombilla y una prueba real de uso y envejecimiento".

La segunda tarea será la optimización estructural. El dispositivo deberá ser pequeño y el receptor deberá estar integrado, lo cual es un concepto novedoso, explicó Shi.

"Quiero pensar en la batería como un todo y pensar en cada componente de la misma, no se trata solo del rendimiento de la batería", dijo Shi. "Estamos comenzando desde cero, no existe nada como esto, por lo que tenemos mucha libertad. Esto es bueno porque si estuviéramos trabajando en la tecnología existente, no tenemos demasiado espacio para jugar. Esto nos da más oportunidades para inventar algo nuevo, algo más útil para la sociedad".

Los mayores desafíos serán la seguridad y la duración de la batería, dijo Shi. Idealmente, dijo, espera desarrollar algo que tenga una vida útil de 20 o 30 años y que sea seguro en el cuerpo humano.

"Si tienes un auto que se incendia, puedes huir", dijo Shi. "Pero si tienes algo dentro de tu cuerpo que no es accesible en absoluto, tiene que ser confiable, por lo que la seguridad es la máxima prioridad y la más compleja".

Shi dijo que espera que sus antecedentes y experiencia en el desarrollo de baterías, junto con los esfuerzos de colaboración cruzada con otros investigadores, le permitan fabricar una batería que redefina la tecnología de baterías biomédicas.

"Tanto en el aspecto de la batería como en el aspecto de la carga inalámbrica, mi objetivo final es personalizar una mejor batería que pueda acomodar la carga inalámbrica en el cuerpo", dijo Shi. "Mi área de investigación es solo una esquina muy estrecha, y los dispositivos médicos y de salud son áreas de investigación multidisciplinarias. Necesitaremos que muchas personas trabajen juntas para que esto se haga realidad".

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