Celda de combustible de glucosa utiliza azúcar presente en sangre para alimentar implantes médicos

Las baterías de yoduro de litio se han convertido en la fuente de energía estándar para los implantes médicos, principalmente el marcapasos cardíaco. Sin embargo, las baterías tienen un límite en cuanto lo pequeñas que pueden hacerse, ya que su diseño requiere la capacidad física para almacenar energía. En los últimos años, los científicos han estado investigando las celdas de combustible de glucosa como fuentes de energía potencialmente más pequeñas, alimentadas directamente por la abundante glucosa del cuerpo, que es el azúcar que absorbemos de los alimentos que comemos. La glucosa alimenta cada célula de nuestro cuerpo y ahora podría alimentar los implantes médicos del mañana.

Ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, Cambridge, MA, EUA) y la Universidad Técnica de Munich (Munich, Alemania) han diseñado un nuevo tipo de celda de combustible de glucosa que convierte la glucosa directamente en electricidad. El dispositivo es más pequeño que otras celdas de combustible de glucosa propuestas, mide solo 400 nanómetros de espesor, o alrededor de 1/100 del diámetro de un cabello humano. La fuente de energía azucarada genera alrededor de 43 microvatios por centímetro cuadrado de electricidad, logrando la mayor densidad de energía de cualquier celda de combustible de glucosa hasta la fecha en condiciones ambientales. El nuevo dispositivo también es resistente, capaz de soportar temperaturas de hasta 600 grados centígrados. Si se incorpora a un implante médico, la celda de combustible podría permanecer estable a través del proceso de esterilización a alta temperatura, requerido para todos los dispositivos implantables.

Los investigadores diseñaron una celda de combustible de glucosa con un electrolito hecho de ceria, un material cerámico que posee una alta conductividad iónica, es mecánicamente robusto y, como tal, se usa ampliamente como electrolito en celdas de combustible de hidrógeno. También se ha demostrado que es biocompatible. El equipo intercaló el electrolito con un ánodo y un cátodo hechos de platino, un material estable que reacciona fácilmente con la glucosa. Fabricaron 150 celdas de combustible de glucosa individuales en un chip, cada una de unos 400 nanómetros de grosor y unos 300 micrómetros de ancho (aproximadamente el ancho de 30 cabellos humanos). Modelaron las células en placas de silicio, lo que demuestra que los dispositivos se pueden emparejar con un material semiconductor común. Luego midieron la corriente producida por cada celda mientras hacían fluir una solución de glucosa sobre cada placa en una estación de prueba fabricada a medida. Descubrieron que muchas celdas producían un voltaje máximo de alrededor de 80 milivoltios. Dado el diminuto tamaño de cada celda, esta salida es la densidad de potencia más alta de cualquier diseño de celda de combustible de glucosa existente. Los investigadores prevén que el nuevo diseño podría convertirse en películas o recubrimientos ultrafinos y envolver implantes para alimentar electrónicamente de forma pasiva, utilizando el abundante suministro de glucosa del cuerpo.

“La glucosa está en todas partes del cuerpo, y la idea es recolectar esta energía fácilmente disponible y usarla para alimentar dispositivos implantables”, dijo Philipp Simons, quien desarrolló el diseño como parte de su tesis doctoral en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT (DMSE). "En nuestro trabajo, mostramos una nueva electroquímica de celda de combustible de glucosa".

"En lugar de usar una batería, que puede ocupar el 90 % del volumen de un implante, se podría fabricar un dispositivo con una película delgada y se tendría una fuente de energía sin huella volumétrica", agregó Jennifer LM Rupp, supervisora de tesis de Simons y profesora visitante de DMSE, que también es profesora asociada de química de electrolitos de estado sólido en la Universidad Técnica de Munich en Alemania.

Enlaces relacionados:
MIT
Universidad Técnica de Múnich