El oxígeno es el combustible de gran parte de la vida en la Tierra. ¿Pero sabías que el mismo oxígeno en nuestros cuerpos algún día podría alimentar baterías en implantes médicos? Un nuevo estudio ha revelado una nueva batería de sodio y oxígeno (Na-O2) que hace precisamente esto.
Un problema con los implantes médicos es que los médicos tienen que realizar cirugías invasivas para reemplazar las baterías de vez en cuando. Sin embargo, esta batería de Na-O2 recientemente propuesta funcionaría con nuestro oxígeno y se recargaría sola.
“Proponemos un novedoso diseño de batería de Na-O2 para aplicaciones in vivo que utiliza una aleación estable a base de sodio como ánodo y oxígeno de los fluidos corporales como componente cátodo. Esta batería demuestra un potencial prometedor como fuente de energía para alimentar dispositivos electrónicos microimplantables”, señalan los autores del estudio.
Cómo funciona una batería impulsada por oxígeno
Si hay una sustancia que abunda en el cuerpo de los mamíferos es el oxígeno. El oxígeno se reemplaza constantemente a través de la respiración y es clave para muchos procesos biológicos centrados en la energía. Entonces, ¿cómo podríamos utilizar esta molécula tan biodisponible en una batería? Los investigadores de la Universidad Tecnológica de Tianjin intentaban encontrar la respuesta a esta pregunta.
“Si podemos aprovechar el suministro continuo de oxígeno en el cuerpo, la vida útil de la batería no estará limitada por los materiales finitos de las baterías convencionales”, dijo Xizheng Liu, uno de los autores del estudio y profesor de materiales y dispositivos energéticos en la Universidad de Tianjin.
Querían desarrollar una batería alimentada por oxígeno segura, factible y eficiente, y la única forma de hacerlo era utilizar componentes y productos químicos compatibles con los sistemas vivos. Teniendo esto en cuenta, utilizaron una aleación a base de sodio como ánodo. El sodio ya es parte integral de la dieta y el cuerpo humanos y desempeña un papel clave en el mantenimiento de los nervios, los fluidos corporales y los músculos. Todos estos factores lo convierten en un ánodo biocompatible ideal.
Como separador, los investigadores utilizaron oro nanoporoso (NPG), un material que tiene poros mil veces más pequeños que el ancho de un cabello humano. El NPG ya se utiliza en muchas aplicaciones biológicas debido a su biocompatibilidad y alta estabilidad.
Después de crear su novedosa batería, recubrieron esta disposición en un polímero blando. Luego lo implantaron quirúrgicamente debajo de la piel en ratas, que sirvieron como animales modelo para el experimento.
“Después de 24 horas de implantación, se observó una meseta de voltaje de descarga inestable a 1 y 2 μA/cm2, lo que indica que sólo una pequeña cantidad de sucus o sangre entró en el compartimento catódico y permitió un suministro continuo de O2”, señalan los autores del estudio.
“Al extender aún más la implantación durante 2 semanas, se obtuvieron niveles de voltaje estables de aproximadamente 1,4 y 1,3 V a 1 y 2 mA/cm2, respectivamente, con una densidad de potencia máxima de 2,6 μW/cm2. De manera similar, después de 4 semanas de implantación, las mesetas del voltaje de descarga permanecieron en aproximadamente 1,3 y 1,2 V a 1 y 2 μA/cm2, respectivamente, lo que indica un suministro constante y continuo de O2 desde los fluidos corporales”.
Por primera vez, los investigadores demostraron que el oxígeno interno podría proporcionar un aporte de energía estable a las baterías. Sin embargo, el rendimiento logrado durante el estudio no será suficiente para alimentar ningún implante médico. Por ejemplo, un marcapasos funciona con una batería capaz de generar de 2 a 5 voltios de salida. Por lo tanto, según los autores del estudio, se requiere más investigación para mejorar el rendimiento de la batería de Na-O2.
Mostrando un gran potencial
Cuando se trata de seguridad, la batería de Na-O2 podría ser una de las soluciones de energía más seguras para dispositivos médicos. Durante el estudio, no causó ningún efecto secundario en los animales modelo y ninguno de los subproductos que liberó fue perjudicial para la salud humana.
“Los iones Na+ y OH producidos durante el proceso de descarga ingresan a la sangre sin causar alteraciones electrolíticas. El metabolismo de las sustancias en el cuerpo no produjo ninguna anomalía en el hígado ni en los riñones. La excelente biocompatibilidad de la batería indica un inmenso potencial para aplicaciones prácticas y tiene el potencial de revolucionar el campo de las baterías implantables”, dijeron los investigadores.
Los investigadores también notaron que los vasos sanguíneos que sufrieron daños cuando implantaron la batería se regeneraron después de un tiempo alrededor del implante. Este sorprendente desarrollo sugiere que la batería de Na-O2 también se puede utilizar para controlar la cicatrización de heridas, según Liu.
“Si bien aún quedan por abordar varios estudios fundamentales y desafíos intrínsecos, la batería de Na-O2 sigue siendo muy prometedora y puede provocar una nueva revolución en el campo de los dispositivos implantables, lo que conducirá al desarrollo de nuevos métodos para el tratamiento de diversas enfermedades”.
El estudio se publica en la revista Chem.
Fuente: ZME Science.
