Imaginar un parche fino pegado a la piel que mida tu esfuerzo físico y envíe los datos al móvil sin batería interna ya no suena solo a ciencia ficción. Un equipo de la Tokyo University of Science ha desarrollado una tinta de enzimas en base agua que permite “imprimir” sobre papel celdas de biofuel enzimáticas capaces de producir electricidad a partir del sudor.
El trabajo, liderado por el químico Isao Shitanda, muestra que estas tintas se pueden usar en un único paso de serigrafía para fabricar la parte activa de los sensores, con más potencia y estabilidad que los métodos clásicos de laboratorio. En pruebas de rendimiento, las nuevas celdas en papel ofrecieron energía suficiente para alimentar comunicaciones inalámbricas de bajo consumo y tienen potencial para producirse en masa a muy bajo coste.
Qué es una celda de biofuel enzimática
Una celda de biofuel enzimática es una especie de “batería viva” que usa enzimas para transformar sustancias del cuerpo en electricidad. En lugar de pilas de botón, estos dispositivos utilizan compuestos presentes en fluidos como el sudor, por ejemplo el lactato o la glucosa, como combustible.
Las enzimas actúan como pequeñas fábricas químicas que facilitan reacciones donde se liberan electrones, que luego se recogen en unos electrodos y se convierten en corriente eléctrica útil. La gracia de este enfoque es que el sensor se alimenta de la propia química del cuerpo, por lo que puede funcionar durante horas sin una batería externa.
Hasta ahora, muchas de estas celdas funcionaban bien en el laboratorio pero eran difíciles de producir en serie. Fabricar los electrodos requería varios pasos manuales, como depositar a mano las enzimas sobre una capa de carbono y secarlas con cuidado, lo que generaba variaciones entre dispositivos y encarecía el proceso.
La tinta que reúne enzimas, carbono y polímeros en una sola mezcla
El equipo de Shitanda decidió simplificar todo ese proceso y diseñó una tinta en la que va todo mezclado desde el principio. En esa formulación se combinan partículas de carbono poroso de gran superficie, mediadores químicos que aceleran el movimiento de electrones, enzimas específicas y un aglutinante en agua que mantiene los componentes juntos.
Entre esas enzimas se incluyen lactato oxidasa para detectar lactato en el sudor y bilirubina oxidasa para la parte que usa el oxígeno ambiental, además de una enzima para glucosa en otras configuraciones. Para ajustar la textura se añade un espesante derivado de polisacáridos, de forma que la tinta tenga la consistencia adecuada para pasar por una malla de serigrafía sin gotear.
La clave está en que todos los ingredientes se dispersan en soluciones acuosas, sin disolventes orgánicos agresivos que puedan dañar las enzimas. Al final del día, lo que intenta hacer esta tinta es permitir que la industria imprima electrodos funcionales casi igual que quien imprime un diseño en una camiseta, pero con un material sensible y frágil como son las proteínas.
Más potencia y estabilidad en parches que leen el sudor
Con esta tinta, los investigadores imprimieron directamente los electrodos sobre sustratos de papel ligero en un solo paso de fabricación. En las pruebas electroquímicas, esos electrodos mostraron corrientes catalíticas más altas y una degradación mucho más lenta que los electrodos fabricados con el típico goteo de soluciones sobre la superficie.
En condiciones de funcionamiento continuado, los electrodos clásicos perdían gran parte de su actividad en cuestión de minutos u horas, mientras que los basados en la nueva tinta mantenían su rendimiento casi intacto durante más tiempo. En una celda completa lactato oxígeno, el sistema alcanzó una potencia máxima de unos ciento sesenta microwatios por centímetro cuadrado y una tensión cercana a 0,63 voltios, valores por encima de los obtenidos en trabajos anteriores similares.
El rango de detección de lactato encaja con las concentraciones que se encuentran por lo general en el sudor de personas sanas durante el ejercicio, en torno a 1 a 25 milimoles por litro. Según los propios ensayos del equipo, la energía generada basta para alimentar módulos de comunicación Bluetooth de bajo consumo y ya se ha demostrado el envío inalámbrico de datos de lactato sin recurrir a baterías externas.
Del laboratorio al gimnasio y a la residencia de mayores
Para comprobar que la tecnología es escalable, el grupo realizó una demostración de impresión continua sobre un rollo de unos cuatrocientos metros de sustrato. Este tipo de proceso “rollo a rollo” encaja con las líneas de producción industriales y podría reducir el número de pasos de fabricación de forma notable, hasta el punto de situar el coste en torno a diez yenes por dispositivo según estimaciones del equipo.
En la parte experimental también participaron jóvenes investigadores como la estudiante de máster Mahiro Omori y especialistas industriales como Mitsuru Hanasaki de la empresa RESONAC, además de colaboradores del centro RIKEN y de la University of Tsukuba. La idea es que, hacia 2030, compañías de impresión y fabricantes de equipos médicos puedan integrar estas tintas en parches flexibles y otros formatos de sensores ponibles.
Las aplicaciones posibles van desde el deporte, donde un parche podría avisarte cuando estás forzando demasiado, hasta el cuidado de personas mayores, con sistemas que sigan su estado metabólico sin necesidad de pinchazos. Expertos en salud pública apuntan que también podrían servir para mejorar la prevención de golpes de calor, al detectar cambios tempranos en el esfuerzo del organismo durante olas de calor cada vez más frecuentes.
El estudio principal se ha publicado en la revista ACS Applied Engineering Materials.
