El tiburón de dibujos animados pintado en la mano de este investigador puede parecer un juguete, pero también es un electrodo médico en funcionamiento. Investigadores han desarrollado una tinta conductora que se puede aplicar directamente sobre la piel, donde se seca formando un sensor delgado que sigue las microestructuras cutáneas. Conectados a un módulo inalámbrico reutilizable, los electrodos pintados registraron señales eléctricas del corazón, los músculos y el cerebro durante varias pruebas de concepto.
La tinta también se puede mezclar con colorante alimentario y utilizar para pintar objetos, símbolos u otros diseños personalizados. Este elemento decorativo es más que un simple truco. Los investigadores sugieren que los sensores con un aspecto menos clínico podrían hacer que la monitorización prolongada sea más aceptable, especialmente para niños y personas que se sienten incómodas usando parches médicos visibles.
Una alternativa a los electrodos convencionales
Los médicos e investigadores utilizan electrodos para detectar las débiles señales eléctricas que produce el cuerpo. El ejemplo clásico es el electrocardiograma (ECG), que mide la actividad cardíaca. La electromiografía (EMG) registra las contracciones musculares. Y la electroencefalografía (EEG) monitoriza la actividad eléctrica del cerebro.
Los electrodos clínicos estándar suelen utilizar contactos metálicos y geles adhesivos. Funcionan bien cuando el paciente permanece inmóvil (por ejemplo, en un hospital), pero el movimiento, el sudor y el vello corporal pueden debilitar el contacto entre el electrodo y la piel. Por ello, los investigadores han estado buscando alternativas.
Los electrodos de hidrogel blando son una alternativa, ya que se adaptan mejor al movimiento del cuerpo. Sin embargo, los hidrogeles contienen agua y pueden resecarse con el uso prolongado. Al deshidratarse, pierden flexibilidad y adherencia. Incluso un electrodo bien fijado presenta otro punto débil: su conexión con los componentes electrónicos rígidos que amplifican, procesan o transmiten la señal. El estiramiento repetido puede dañar esta conexión, provocando ruido o la pérdida total de la señal.
Wanqing Zhang, candidata a doctora en ingeniería y mecánica en Penn State y primera autora del estudio, afirmó que la fabricación convencional también crea lagunas antes de que comience la monitorización. Así pues, Zhang y sus colegas optaron por un camino diferente.
“La mayoría de los electrodos comerciales se prefabrican en un laboratorio o fábrica y luego se aplican sobre la piel, lo que crea un espacio de aire entre la piel y el electrodo, lo cual afecta negativamente el rendimiento de detección”, explicó Zhang en un comunicado de prensa de Penn State. “Para solucionar esto, hemos desarrollado una tinta conductora que se puede aplicar directamente sobre la piel. Tras secarse, actúa como un electrodo funcional”.
Un electrodo pintado en el cuerpo
En lugar de fabricar un electrodo en un lugar y colocarlo posteriormente, los investigadores formaron el dispositivo directamente sobre el usuario. Crearon una tinta a base de agua que contiene varios polímeros, entre ellos PEDOT, un material similar al plástico que conduce la corriente eléctrica. Otro ingrediente, llamado DBSA, ayuda al material a conducir la electricidad a la vez que mantiene su flexibilidad. El alcohol polivinílico, un polímero blando de uso común, ayuda a mantener la mezcla compacta.
Los investigadores denominan a la formulación WE-PPD, una abreviatura basada en sus ingredientes: agua, etanol, alcohol polivinílico, PEDOT y DBSA.
Cuando está húmeda, la tinta tiene una consistencia similar a la del pegamento. Se puede aplicar con un pincel y se seca en menos de 10 minutos, explica Zhang. El aire caliente de un secador de pelo puede acelerar aún más el proceso.
Debido a que el líquido se asienta en los finos surcos de la piel antes de endurecerse, el electrodo final queda inusualmente cerca del cuerpo. El material seco también se vuelve gradualmente más grueso a medida que se aleja de la piel, en lugar de pasar abruptamente de una capa extremadamente blanda a una más rígida. Este gradiente de grosor distribuye la tensión mecánica por todo el dispositivo. En esencia, se comporta como pintura, según los investigadores.
“La tinta se comporta casi como pintura facial”, afirmó Huanyu “Larry” Cheng, autor principal del estudio y profesor de ingeniería en Penn State, en el comunicado de la universidad. “Inicialmente es casi transparente, pero se puede usar colorante alimentario para pigmentarla y obtener los colores necesarios para pintar cualquier diseño que se tenga en mente, como un dibujo animado o Superman. Esto nos permite personalizar completamente la prenda según las preferencias de cada persona”.
Los dispositivos médicos pueden atraer atención no deseada o generar ansiedad en los niños. Un sensor con forma de animal, emblema de superhéroe o tatuaje abstracto puede parecer más un accesorio que una intervención clínica. Los investigadores escribieron que los diseños de dibujos animados pueden hacer que la monitorización fisiológica sea menos intimidante, especialmente (aunque no exclusivamente) para los niños. Sin embargo, esta no es la única forma en que se puede utilizar este tipo de electrodo.
Muchas aplicaciones
Los investigadores probaron los electrodos en varias demostraciones diseñadas para reproducir movimientos cotidianos. En un experimento, un coautor usó el sistema durante 12 horas mientras realizaba sus actividades diarias normales. Los electrodos pintados continuaron registrando el ECG del usuario, mostrando el ritmo eléctrico del corazón.
Otro participante hizo ejercicio mientras usaba el sistema. Durante una prueba en cinta rodante, la señal de ECG mantuvo una consistencia del 95,1% antes y después de una leve sudoración, según informaron los investigadores.
El equipo también pintó electrodos en el antebrazo de un participante para registrar señales musculares. Un sistema de aprendizaje automático aprendió a asociar esas señales con diferentes gestos de la mano y, posteriormente, las utilizó para controlar una mano robótica. Dicha interfaz podría, en el futuro, servir de soporte para prótesis, herramientas de rehabilitación o controles manos libres. Sin embargo, el experimento sigue siendo una demostración inicial, no una prótesis clínica terminada. Un sistema práctico necesitaría reconocer gestos de forma fiable en diversos usuarios, posiciones del brazo, niveles de fatiga y condiciones ambientales.
Los investigadores también registraron la actividad cerebral a través del cabello. El cabello suele impedir que los electrodos planos alcancen el cuero cabelludo de manera uniforme, lo que debilita las señales de EEG. Un material que se pueda aplicar con un pincel podría fluir alrededor de cada hebra y llegar a la piel con mayor eficacia.
En última instancia, sin embargo, su principal aplicación es como sensor médico. Un sensor que se dobla, respira y parece un tiburón de dibujos animados tiene más probabilidades de permanecer en su sitio y podría ser más aceptable para muchos pacientes.
El estudio fue publicado en PNAS.
Fuente: ZME Science.
