Electrodos flexibles impresos para electroencefalografía (EEG) y electromiografía (EMG) [1].
Los electrodos adheridos a la piel son el elemento central tanto de la electroencefalografía (EEG) como de la electromiografía (EMG). Además de una buena conductividad eléctrica, los electrodos utilizados también deben ser compatibles con la piel y tener una baja resistencia piel-electrodo. Los electrodos estándar actuales están hechos de metal y recubiertos con una capa de gel conductor, que crea un contacto eléctrico de gran superficie entre la superficie metálica y la superficie fisurada de la piel. Durante las mediciones a largo plazo, el gel puede secarse e impedir mediciones fiables en el paciente (Fig. 1).
En el marco del proyecto de investigación "NanoEDGE" del BMBF, que finalizó con éxito, el Instituto Fraunhofer de Ingeniería Biomédica IBMT adoptó un enfoque alternativo basado en la hipótesis de que también se puede conseguir una baja resistencia piel-electrodo sin utilizar un gel. Para conseguirlo, el electrodo debe amoldarse bien a la superficie fisurada de la piel y formar así una gran superficie de contacto. Para ello, el electrodo cutáneo se realiza como una fina capa conductora de electricidad que se imprime sobre una lámina de plástico fina y mecánicamente flexible.
Para fabricar el electrodo cutáneo se imprime una tinta conductora de la electricidad sobre una lámina blanda y, a continuación, se corta y lamina una capa aislante adecuada para adherirla a la piel. El grosor de cada una de las capas y, en particular, el grosor total determinan el acoplamiento de los electrodos con la piel y, por tanto, la relación señal/ruido alcanzable. Los electrodos, de unos pocos micrómetros de grosor, combinados con componentes electrónicos miniaturizados y de bajo coste, sirven de base para una nueva generación de sensores portátiles.
En primer lugar, se evaluó la imprimibilidad de varias tintas de carbono, grafeno y plata utilizando una impresora de chorro de tinta sobre una película de poliuretano (PU) de 80 µm de grosor. También se analizaron la resistencia a la abrasión, la conductividad eléctrica y la compatibilidad cutánea de las estructuras impresas. Para mejorar la imprimibilidad, se modificó posteriormente la composición de una tinta comercial de grafito. Las tintas evaluadas comprendían un total de cuatro tintas de plata y cinco tintas de grafeno o carbono. Mientras que las tintas de plata resultaron ser perjudiciales para las células, como era de esperar, las tintas a base de grafeno o carbono, incluida la tinta de grafeno modificada, resultaron adecuadas para su uso posterior como electrodos cutáneos. Sin embargo, el nivel de conductividad eléctrica de los electrodos y conductores producidos con tintas de grafeno o carbono resultó insuficiente. Al final se consiguió crear electrodos biocompatibles con una conductividad eléctrica suficientemente alta mediante la impresión de una capa de carbono biocompatible sobre una capa inferior de plata altamente conductora. Las pruebas de citotoxicidad demostraron que el carbono biocompatible de esta multicapa cubre suficientemente la plata que daña las células.
Los procesos de impresión desarrollados en el transcurso del proyecto se transfirieron finalmente a una impresora industrial del socio del proyecto Notion Systems GmbH (Schwetzingen, Alemania), que permite una impresión de alto rendimiento. Las estructuras de electrodos se imprimieron a escala industrial utilizando una impresora n.jet de Notion Systems con cabezales de impresión industriales. Los socios del proyecto de la Universidad de Tel Aviv (Israel) demostraron la idoneidad de los electrodos impresos para la conducción de señales EMG y EEG. En cada caso se utilizaron geometrías de electrodos específicas para cada aplicación. Para ello, SensoMedical Labs Ltd. de Nazaret (Israel) desarrolló una electrónica de sensores miniaturizada para la construcción de sistemas de monitorización completos.
Un método de medición y un dispositivo especialmente desarrollados para caracterizar la rigidez de los electrodos impresos ayudaron a examinar la deformabilidad mecánica de las estructuras impresas con diferentes tintas. Al comparar la deformabilidad determinada mediante este método con la relación señal-ruido de las señales EEG derivadas, fue posible demostrar por primera vez que la idoneidad de los electrodos cutáneos para registrar señales EEG está correlacionada con la deformabilidad mecánica de los electrodos. Este resultado respalda la hipótesis subyacente en el proyecto de investigación de que la mejor adaptación posible de los electrodos al contorno de la piel es un factor decisivo para el registro de señales de EEG con bajo nivel de ruido.
En el proyecto, el Instituto Fraunhofer de Ingeniería Biomédica IBMT se encargó de la caracterización mecánica y biológica de las distintas tintas, el diseño de la cadena de procesos y el desarrollo de los procesos de impresión. Como resultado del proyecto, ya se dispone de una tinta basada en grafeno y negro de humo para la impresión por chorro de tinta, que presenta la conductividad eléctrica esperada y una buena adherencia a las películas de PU. Además, se dispone de los resultados de la evaluación de varias tintas comerciales de plata y carbono en cuanto a imprimibilidad, biocompatibilidad y conductividad eléctrica.
Se ha desarrollado una cadena de procesos para imprimir estructuras de electrodos mecánicamente flexibles sobre un sustrato de película fina de PU con la posterior aplicación de una capa aislante, y está lista para su transferencia a aplicaciones industriales. Mediante la combinación de una tinta de plata altamente conductora con una tinta biocompatible basada en nanopartículas de carbono, se pueden producir estructuras de electrodos biocompatibles adecuadas para el registro de bajo ruido de señales EMG y EEG [2].
Estimulación nerviosa fotoeléctrica [3]
Un tipo de implante completamente nuevo: láminas pigmentadas finísimas y sensibles a la luz, por ejemplo para estimular células nerviosas. Un equipo internacional de investigadores ha desarrollado y probado con éxito un concepto en el que los nervios se estimulan con impulsos luminosos. La tecnología permite implantes completamente nuevos para estimular células nerviosas y ha sido desarrollada en un esfuerzo conjunto por investigadores de la Universidad Tecnológica de Graz, la Universidad Médica de Graz, la Universidad de Zagreb y el CEITEC (Instituto Centroeuropeo de Tecnología). Se basa en pigmentos de color de la industria alimentaria, como los utilizados en las células solares orgánicas. Los pigmentos se depositan al vapor sobre una capa de unos pocos nanómetros de espesor, donde convierten la luz en carga eléctrica, igual que en las células solares orgánicas. Las células nerviosas cultivadas en la película reaccionan a esta carga y, a su vez, disparan impulsos eléctricos para estimular otras células nerviosas (Fig. 2).
Fig. 2 : Un tipo de implante completamente nuevo: láminas pigmentadas ultrafinas y sensibles a la luz, por ejemplo para estimular células nerviosas
Los investigadores han podido demostrar este proceso por primera vez en experimentos de biología celular. Células nerviosas cultivadas que crecían directamente sobre la lámina fueron estimuladas por varios destellos cortos de luz con una longitud de onda de 660 nanómetros (luz roja), cada uno de unos pocos milisegundos, y reaccionaron como se esperaba: generaron los llamados potenciales de acción, esenciales para la comunicación entre células nerviosas. Los investigadores han publicado los resultados de sus mediciones electrofisiológicas y simulaciones por ordenador en la revista "Advanced Materials Technologies" [4].
A diferencia de la electroestimulación actual con electrodos metálicos, las láminas pigmentadas desarrolladas representan una forma completamente nueva de estimular las células nerviosas. Las láminas son tan finas que pueden implantarse fácilmente. Durante el tratamiento, las células nerviosas se irradian con luz roja, que puede penetrar profundamente en el cuerpo sin causar ningún daño. Los tratamientos a corto plazo deberían poder producir efectos terapéuticos a largo plazo.
Fig. 3 : La película puede fabricarse con diferentes tamaños de pigmento. Actualmente se están realizando pruebas para determinar qué estructura es la más adecuada para las aplicaciones clínicas (Foto: Lunghammer - TU Graz)
En el futuro, ya no sería necesario el complejo cableado de un implante nervioso, lo que a su vez reduciría el riesgo de infección tras procedimientos invasivos, pues ya no habría necesidad de tubos o cables que salieran del cuerpo. Gracias a su naturaleza orgánica, las películas de pigmentos son muy bien toleradas por las células humanas y animales (Fig. 3).
Los investigadores ven aplicaciones potenciales en lesiones cerebrales graves. En este caso, la estimulación de las células nerviosas puede acelerar el proceso de curación y prevenir complicaciones al evitar la muerte de las células nerviosas. Los investigadores también ven posibilidades en otras lesiones neurológicas o en la terapia del dolor. La tecnología también podría utilizarse para crear nuevos tipos de implantes de retina.
Glucosa como fuente de energía para implantes y sensores médicosUna minicélula de combustible genera electricidad a partir del azúcar del propio cuerpo [5].
La dextrosa, también conocida como glucosa, es la fuente de energía más importante de nuestro organismo. Científicos de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) y del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) quieren ahora utilizar el azúcar del cuerpo como fuente de energía para implantes médicos. Han desarrollado una pila de combustible de glucosa que convierte el azúcar en electricidad.
Los implantes médicos, como sensores para medir funciones vitales, electrodos para estimulación cerebral profunda en la enfermedad de Parkinson o marcapasos, requieren fuentes de energía fiables y lo más pequeñas posible. Sin embargo, las baterías no pueden reducirse de tamaño a voluntad, ya que requieren cierto volumen para almacenar energía.
Un equipo de investigación dirigido por Jennifer Rupp, catedrática de Química de Electrolitos en Estado Sólido de la TUM, y el Dr. Philipp Simons, del MIT, ha desarrollado ahora una pila de combustible de glucosa de sólo 400 nanómetros de grosor, una centésima parte del diámetro de un cabello humano. En lugar de utilizar una pila que ocupa el 90% del volumen de un implante, el dispositivo desarrollado podría aplicarse en forma de finas películas sobre un chip de silicio o, en el futuro, incluso sobre la superficie de los implantes.
La pila de combustible de glucosa consta de dos electrodos -el cátodo y el ánodo- y una capa electrolítica. La glucosa del cuerpo se convierte en ácido glucónico en el ánodo, liberando protones en el proceso. El electrolito conduce los protones a través de la pila de combustible hasta el cátodo, donde se combinan con el aire para formar moléculas de agua. Los electrones fluyen hacia un circuito externo donde pueden utilizarse para alimentar un dispositivo electrónico.
La idea de utilizar pilas de combustible de glucosa como fuente de energía no es nueva. Los dispositivos anteriores utilizaban plásticos como capa electrolítica. Como los materiales plásticos no son compatibles con los procesos de producción estándar de la industria de semiconductores, resulta difícil aplicarlos a los chips de silicio, que son el estado del arte en implantes médicos. Para ello se necesitan materiales duros. Otro inconveniente es que los polímeros que componen el plástico se dañan parcialmente al esterilizar los implantes.
Por ello, los investigadores utilizaron electrolitos cerámicos para su pila de combustible. La cerámica elegida puede miniaturizarse e integrarse fácilmente en un chip de silicio y es biocompatible. Además, el material resiste altas temperaturas.
El equipo fabricó 150 pilas de combustible de glucosa en un chip de unos 400 nanómetros de grosor y 300 micrómetros de ancho. Los investigadores montaron las células en obleas de silicio, demostrando que los dispositivos pueden combinarse con un material semiconductor común. A continuación, dejaron fluir una solución de glucosa sobre cada oblea.
Los científicos descubrieron que muchas de las pilas de combustible generaban un pico de tensión de unos 80 milivoltios. Este voltaje es suficiente para alimentar sensores y muchos otros dispositivos electrónicos para implantes. Teniendo en cuenta el diminuto tamaño de cada célula, se trata de la mayor densidad de potencia de cualquier diseño de célula de combustible de glucosa hasta la fecha.
Es la primera vez que se utiliza la conducción de protones en materiales electrocerámicos para convertir la glucosa en electricidad [6].
Fuentes y referencias
[1] Fuente: Instituto Fraunhofer de Ingeniería Biomédica IBMT
[2] Informe final: Nano-based portable electronics for the diagnosis of mental disorders and functional restoration, production technologies and devices (NanoEDGE), publicado,
http://publica.fraunhofer.de/documents/N-644064.html
[3] Fuente: TU Graz
[4] Schmidt, T.; Jakešová, M.; Đerek, V.; Kornmueller, K.; Tiapko, O.; Bischof, H. et al.: Light Stimulation of Neurons on Organic Photocapacitors Induces Action Potentials with Millisecond Precision, Adv. Mater. Technol. 2022, 2101159
https://doi.org/10.1002/admt.202101159
[5] Fuente: TU Munich
[6] Simons, P.; Schenk, S.A.; Gysel, M.A.; Olbrich, L.F.; Rupp, J.L.M.: A Ceramic-Electrolyte Glucose Fuel Cell for Implantable Electronics, Advanced Materials, abril 2022, https://doi.org/10.1002/adma.202109075
