Comunicación iónica permite transmisión inalámbrica de datos para dispositivos implantables

La bioelectrónica implantable está desempeñando cada vez más un papel clave en el cuidado de la salud. Por ejemplo, los marcapasos pueden ayudar a garantizar que el corazón de un paciente mantenga un latido saludable, y los dispositivos de interfaz neuronal pueden ayudar a los pacientes con epilepsia y otros trastornos estimulando regiones cerebrales específicas para reducir sus síntomas neurológicos, o incluso vincular el cerebro de un paciente paralizado con extremidades robóticas. Sin embargo, un gran desafío al que se enfrenta la bioelectrónica implantada es cómo comunicar sus datos a través del cuerpo a dispositivos externos para su posterior análisis y diagnóstico por parte de médicos y científicos. Ahora, los investigadores han inventado una forma de aumentar la bioelectrónica implantable con enlaces de datos inalámbricos simples, de alta velocidad y baja potencia utilizando iones, átomos cargados positiva o negativamente que están naturalmente disponibles en el cuerpo.

La bioelectrónica implantable ahora suele ser clave para ayudar o monitorear el corazón, el cerebro y otros órganos vitales, pero a menudo carecen de una forma segura y confiable de transmitir sus datos a los médicos. Aunque los cables ofrecen una forma sencilla de transmitir rápidamente datos desde los implantes a las máquinas externas, la forma en que penetran en el tejido limita su uso a largo plazo. Al mismo tiempo, los enfoques inalámbricos convencionales que utilizan ondas de radio o luz visible a menudo no logran penetrar el tejido biológico. Una estrategia intrigante que la bioelectrónica podría usar para las comunicaciones es una que el cuerpo usa a menudo: los iones. Dentro del cuerpo, las células mezclan iones regularmente para comunicarse entre sí. Investigadores de Columbia Engineering (Nueva York, NY, EUA) han desarrollado una forma de utilizar los iones del cuerpo para transmitir datos a velocidades de megahercios, es decir, millones de bits por segundo.

La forma en que los tejidos vivos son ricos en iones significa que almacenan energía potencial eléctrica, como lo hacen las baterías eléctricas. La nueva técnica, denominada comunicación iónica, aprovecha este hecho para ayudar a la bioelectrónica implantada a intercambiar datos con dispositivos externos. La comunicación iónica implica un par de electrodos implantados dentro de un tejido y otro par de electrodos que descansan sobre la superficie de ese tejido. El dispositivo implantado codifica datos en pulsos eléctricos alternos que almacenan energía dentro del tejido. A su vez, el receptor de superficie puede detectar esta energía y decodificarla. En el nuevo estudio, los investigadores detallaron qué propiedades geométricas gobiernan las profundidades a las que podría llegar la comunicación iónica dentro del cuerpo, así como las estrategias para establecer múltiples líneas paralelas de comunicación entre electrodos. Descubrieron que la comunicación iónica era capaz de transmitir datos a través de distancias que podrían ayudarlo a dirigirse a una variedad de tipos de tejidos, desde la piel humana hasta los órganos viscerales.

En los experimentos, los científicos crearon una interfaz neuronal totalmente implantable utilizando comunicación iónica para ratas. Demostraron que podía adquirir y transmitir de forma no invasiva datos cerebrales de roedores que se mueven libremente durante semanas con suficiente estabilidad para aislar señales de neuronas individuales. Utilizando 10 líneas de comunicación con la electrónica comercial actualmente disponible, los científicos lograron velocidades de comunicación de 60 megahercios. Estimaron que una sola línea de comunicaciones iónicas podría alcanzar velocidades de comunicación de hasta 14 megahercios.

Los científicos señalan que la comunicación iónica requería voltajes bajos y una potencia sustancialmente menor que las comunicaciones por radio o ultrasonido. Sus experimentos también revelaron que su dispositivo de comunicación iónica demostró ser miles o millones de veces más eficiente energéticamente en la comunicación de datos que otros enfoques utilizados con la bioelectrónica implantable. Los dispositivos de comunicaciones iónicas pueden fabricarse con materiales blandos, flexibles, comercialmente disponibles, biocompatibles (es decir, no dañinos para los tejidos vivos) e incluso biodegradables, lo que sugiere que podrían encontrar uso fácilmente en dispositivos implantables prácticos que pueden disolverse una vez que ya no se necesitan más. Los científicos ahora tienen como objetivo combinar la comunicación iónica con transistores orgánicos en un biosensor implantable.

Este último trabajo continúa la investigación general del equipo que busca conectar dispositivos bioelectrónicos con el cerebro humano. Por ejemplo, los científicos desarrollaron recientemente un material que ayuda a que las señales iónicas se conduzcan solo en direcciones específicas elegidas. Esto puede ayudar a los científicos a desarrollar circuitos que utilicen iones en lugar de electrones para interactuar mejor con el cuerpo. Tales circuitos normalmente no funcionarían si los iones pudieran viajar en todas las direcciones y causar interferencias no deseadas entre las diferentes partes de cada circuito. El nuevo "conductor de iones anisotrópico" es un material compuesto suave y biocompatible, lo que sugiere que podría resultar útil en bioelectrónica implantable, y los procesos para sintetizarlo son sencillos y escalables.

"La comunicación iónica es una forma biológica de comunicación de datos que establece interacciones de alta fidelidad a largo plazo en el tejido intacto", dijo el coautor principal del estudio, Dion Khodagholy, profesor asociado de ingeniería eléctrica en la Universidad de Columbia. “El material novedoso que desarrollamos tiene propiedades únicas que permiten la implementación de dispositivos bioelectrónicos orgánicos a gran escala, que pueden mejorar su traducción a aplicaciones de salud humana. A continuación, nuestro objetivo es diseñar circuitos integrados compactos y complejos basados ​​en conductores de iones anisotrópicos compuestos por muchos transistores orgánicos para aplicaciones bioelectrónicas”.

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Columbia Engineering