Fabricadas con materiales «biorreabsorbibles», las nuevas baterías podrían alimentar cápsulas para la administración de fármacos, la detección y otras aplicaciones.
Utilizando materiales seguros para el consumo humano, investigadores del MIT han creado baterías diminutas que podrían usarse para alimentar dispositivos electrónicos ingeribles. Estas baterías podrían hacer que los dispositivos sean más seguros para los pacientes y minimizar el impacto ambiental de las baterías una vez excretadas.
En un nuevo estudio, los investigadores demostraron que las baterías, que generan 1,84 voltios, podrían alimentar dos tipos diferentes de dispositivos: una etiqueta RFID que puede transmitir desde el estómago y una cápsula que produce una pequeña corriente eléctrica que estimula la producción de grelina, la hormona del hambre.
Según los investigadores, este tipo de batería, que contiene electrodos fabricados con magnesio y trióxido de molibdeno, también podría utilizarse en otros dispositivos ingeribles para aplicaciones de detección o terapéuticas.
“Para muchos de los sistemas que estamos desarrollando, necesitamos energía, y la suministramos de diferentes maneras”, explica Giovanni Traverso, profesor de ingeniería mecánica en el MIT, gastroenterólogo en el Hospital Brigham and Women’s y miembro asociado del Instituto Broad del MIT y Harvard. “A menudo usamos baterías, así que la pregunta era: ¿Podríamos desarrollar una batería biorreabsorbible y aplicarla en diversos ámbitos?”.
Traverso es el autor principal del artículo, que se publica hoy en Nature Chemical Engineering . Mehmet Girayhan Say, ex becario postdoctoral del MIT, es el autor principal del artículo.
Baterías biocompatibles
Durante la última década, Traverso y sus colaboradores han desarrollado cápsulas ingeribles que pueden monitorizar las constantes vitales , administrar diversos fármacos y detectar sobredosis de opioides .
No todos estos dispositivos requieren una fuente de alimentación. Para aquellos que sí la necesitan, los investigadores los han alimentado mediante una fuente externa que transmite energía de forma inalámbrica, han obtenido energía del tracto gastrointestinal o han utilizado pequeñas pilas de botón. Sin embargo, estas pilas, que generalmente contienen litio, óxido de plata u otros metales, podrían representar un riesgo para la seguridad si su revestimiento protector se dañara durante su paso por el tracto gastrointestinal.
Para crear una batería más segura y permitir que los sistemas fueran totalmente autónomos sin necesidad de alimentación externa, los investigadores recurrieron a metales que pueden actuar como electrodos pero que son seguros para el consumo humano en pequeñas cantidades: magnesio y trióxido de molibdeno.
“Se sabe que esos materiales son relativamente seguros. Ese fue el factor principal: pensar en materiales que los seres humanos puedan tolerar”, dice Traverso.
Los investigadores utilizaron magnesio para el ánodo de la batería y trióxido de molibdeno para el cátodo. La batería también contiene un electrolito de gel líquido iónico, y todo el sistema es biorreabsorbible, lo que significa que el cuerpo puede descomponerlo y absorberlo por completo. Los investigadores diseñaron dos versiones diferentes de la batería para distintas aplicaciones: un disco de 7,5 milímetros de diámetro y una barra rectangular de 24 milímetros de longitud.
Para comprobar cómo se comportarían las baterías en el tracto gastrointestinal, los investigadores las expusieron primero a una solución altamente ácida similar al jugo gástrico. Descubrieron que las baterías funcionan con normalidad durante unos tres días, tras lo cual su rendimiento comienza a disminuir gradualmente. En pocas semanas, se descomponen por completo.
Posteriormente, los investigadores incorporaron la batería rectangular a un dispositivo biodegradable que presentaron por primera vez en 2023. Este dispositivo está diseñado para suministrar una pequeña corriente eléctrica al revestimiento del estómago. En trabajos anteriores, el laboratorio de Traverso demostró que esta descarga eléctrica podía estimular las células endocrinas del estómago para que produjeran grelina.
Estimular la secreción de grelina podría resultar útil para tratar enfermedades que cursan con náuseas o pérdida de apetito, como la caquexia (pérdida de masa corporal que puede ocurrir en pacientes con cáncer u otras enfermedades crónicas).
La versión inicial de este dispositivo funcionaba con dos pilas de botón de óxido de plata, similares a las que se utilizan en los dispositivos ingeribles aprobados por la FDA. Al sustituirlas por las nuevas pilas de óxido de magnesio-molibdeno, los investigadores lograron que casi todo el dispositivo —a excepción de la placa de circuito impreso— fuera biorreabsorbible. Los componentes que no se absorben pueden ser eliminados a través del tracto gastrointestinal.
En el nuevo estudio, los investigadores demostraron que la nueva batería era lo suficientemente potente como para generar estimulación eléctrica continua durante un máximo de tres días. Las pruebas realizadas en animales mostraron que 20 minutos de estimulación en el estómago podían aumentar los niveles de grelina en aproximadamente un 50 por ciento.
“Lo que hace que este trabajo sea emocionante es que pudimos demostrar que una batería biorreabsorbible no es solo un concepto. De hecho, puede alimentar funciones clínicamente relevantes dentro del tracto gastrointestinal y luego simplemente disolverse”, dice Say.
Comunicación alimentada por batería
Posteriormente, los investigadores incorporaron la batería a un dispositivo RFID, diseñado para ayudar a los pacientes a seguir sus horarios de medicación. Esta cápsula puede transmitir su ubicación desde el tracto gastrointestinal mediante una etiqueta RFID biorreabsorbible fabricada con molibdeno y celulosa.
Un sistema RFID anterior, conocido como SAFARI y del que informó el laboratorio de Traverso en enero, utilizaba etiquetas RFID pasivas, alimentadas por energía recolectada, lo que limita el alcance de la comunicación.
En el nuevo estudio, las pruebas realizadas en animales demostraron que las etiquetas RFID podían alimentarse eficazmente con una batería biorreabsorbible en forma de disco. Con esta nueva batería, el dispositivo podía transmitir de forma continua desde el tracto gastrointestinal y con un mayor alcance (hasta 1,5 metros).
Los investigadores están planificando un ensayo clínico para el sistema SAFARI, que prevén que comience en unos dos años. Estos sistemas no solo serían más seguros para los pacientes, sino que también reducirían el impacto ambiental de las baterías que, de otro modo, se desecharían en el sistema de alcantarillado.
“Los beneficios son dobles: por un lado, la capacidad de ser biorreabsorbible, pero también el potencial de minimizar el impacto ambiental, ya que los materiales también se degradarán en el medio ambiente”, afirma Traverso.
La investigación fue financiada por Novo Nordisk, la Cátedra Karl van Tassel para el Desarrollo Profesional, el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, la División de Gastroenterología del Hospital Brigham and Women’s y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada para la Salud de los Estados Unidos (ARPA-H).
Fuente: Anne Trafton/ Massachusetts Institute of Technology/ news.mit.edu