El proyecto BioCell-Power, desarrollado por el Instituto Tecnológico de la Energía (ITE), nace de la necesidad detectada en la sociedad de desarrollar dispositivos de monitorización personal y nuevas fuentes de energía capaces de alimentar los dispositivos electrónicos de nueva generación, que se usan en aplicaciones relacionadas con la salud y la medicina deportiva
El proyecto BioCell-Power, desarrollado por el Instituto Tecnológico de la Energía (ITE), nace de la necesidad detectada en la sociedad de desarrollar dispositivos de monitorización personal y nuevas fuentes de energía capaces de alimentar los dispositivos electrónicos de nueva generación, que se usan en aplicaciones relacionadas con la salud y la medicina deportiva.
Así, este proyecto, financiado por el IVACE, aborda el desarrollo de electrodos empleando superficies transductoras flexibles para aplicaciones de sensado y recolección de energía (energy harvesting). En concreto, y en lo que se refiere a energy harvesting se desarrolla una biopila enzimática, que es capaz de obtener energía a partir de la transformación de moléculas contenidas de manera natural en fluidos biológicos tales como la glucosa del sudor o la sangre mediante una reacción redox que involucra el uso de enzimas en los bioelectrodos de la biopila.
Esta tecnología se encuentra en fase de investigación y su transferencia a la sociedad requiere aún afrontar aspectos esenciales en su desarrollo. Así, para adaptarse al tipo de aplicaciones mencionadas, las biopilas enzimáticas deben cumplir con características de miniaturización, flexibilidad y estabilidad química y mecánica para adaptarse al uso cotidiano y de manera no invasiva por parte del usuario. Además, la cantidad de energía obtenida por esta tecnología se encuentra en el orden de µW-mW por lo que son necesarias estrategias para maximizar su eficiencia mediante investigación y desarrollo de nuevas configuraciones para los bioelectrodos desarrollados, además de la integración de estrategias electrónicas para el correcto aprovechamiento de la energía generada en la alimentación de dispositivos de bajo consumo.
Esto conlleva un trabajo de I+D continuo para el aumento del nivel de madurez de la tecnología (TRL, Technology Readyness Level) y acercar la tecnología a mercado, puesto que esta tecnología tiene actualmente un grado de madurez moderado y son necesarios esfuerzos en investigación y desarrollo para determinar los materiales más adecuados, las mejores estrategias y configuraciones para el desarrollo de prototipos, así como los métodos de evaluación y testeo más adecuados para establecer el funcionamiento de los sistemas desarrollados.
Para ello, se están desarrollando materiales, componentes y sistemas electrónicos para el desarrollo de electrodos en aplicaciones de sensado y energy harvesting, contribuyendo de esta forma a hacer viable un sistema de generación de energía limpia para el desarrollo de sensores autoalimentados. Así mismo, el proyecto pretende identificar los nichos de aplicación de la tecnología que ofrezcan nuevas oportunidades de negocio a la industria.
Por lo tanto, las tareas del ITE se basan en el desarrollo de bioelectros para dichas aplicaciones así como en su integración para futuros prototipos. El proyecto cuenta con la colaboración de centros y empresas de diferente naturaleza como son: AWSensors, empresa enfocada en la detección basada en la tecnología de microbalanza de cristal de cuarzo acoplada con sistemas microfluídicos; Nubbo, empresa dedicada al diseño de sensorica wearable o partátil para monitorización cardíaca portátil; y por último el grupo de Miniaturización y Nanotecnología Analíticas (MINYNANOTECH) de la Universidad de Alcalá (UAH), con amplia experiencia en microfluídica, miniaturización y su integración con bioelectrodos para aplicaciones de sensado.
Desarrollo de bioelectrodos miniatruizados flexibles
En primer lugar, los electrodos para energy harvesting y biosensado deben contar con propiedades de flexibilidad y conductividad eléctrica para adaptarse a los requerimientos de las futuras aplicaciones en el campo clínico y en el marco de la monitorización deportiva. Por ello, se han empleado membranas basadas en materiales carbonosos y biopolímeros, ya que además de contar con las citadas características cuentan también con propiedades de biocompatibilidad en contacto con la piel. Empleando esta membrana, se han modificado electrodos comerciales para la generación de ánodos y cátodos para biopilas enzimáticas que usan glucosa como fuel. Para ello es necesario inmovilizar la enzima glucosa oxidasa sobre estos electrodos lo cual se consigue mediante una estrategia de modificación química basada en la formación de nuevos enlaces más fuertes e irreversibles.
Posteriormente, el comportamiento de la superficie de estos electrodos en presencia de glucosa será evaluado en distintas condiciones de flujo en colaboración con la empresa AWSensors, empleando la tecnología de microbalanza de cuarzo (QCM, Quartz Crystal Microbalance).
Integración en prototipo
Los (bio)-electrodos desarrollados a partir de las membranas biopoliméricas carbonosas deben ser evaluados para su integración en un prototipo de biopila de glucosa a escala de laboratorio. En este sentido, se han evaluado distintos tipos de soportes flexibles que se han modificado utilzando técnicas de impresión como la serigrafía para llevar a cabo la integración de los electrodos en un prototipo totalmente flexible. Se han analizado distintos tipos de soportes flexibles tales como sustratos poliméricos, de papel y metálicos. Con este sustrato se podría trabajar en el desarrollo de una biopila basada en materiales flexibles donde los electrodos podrían imprimirse mediante serigrafía utilizando las tintas desarrollados en la Unidad de Química Aplicada, Nuevos Materiales y Biotecnología del ITE.
En esta fase del proyecto, se cuenta con la colaboración de la empresa Nuubo, empresa que ofrece un sistema de monitorización cardíaca portátil incorporado en textiles que permite a los médicos diagnosticar arritmias de forma más rápida y eficiente que las tecnologías tradicionales, ahorrando múltiples pruebas indeterminadas, ofreciendo una intervención médica adecuada y evitando posibles eventos adversos más graves. La participación de Nuubo en el proyecto BIOCELL-POWER se centra en la validación de los criterios adoptados para el desarrollo de los bioelectrodos flexibles y biocompatibles para su futura adaptación a productos de tipología wearable o portátil.
En este contexto, se cuenta con la colaboración del grupo de la Universidad de Alcalá (UAH) para la integración de la tecnología con sistemas microfluídicos como primer paso de futuros prototipos de biopila. El uso de sistemas microfluídicos ha supuesto una gran revolución en el campo del análisis clínico ya que estos sistemas son capaces de llevar a cabo operaciones y procesos de laboratorio de manera automática, descentralizada y uiilizando bajo volumen de muestra. Concretamente se va a trabajar con el grupo de Miniaturización y Nanotecnología Analíticas (MINYNANOTECH) que cuenta con amplia experiencia en microfluídica, miniaturización y su integración con bioelectrodos para aplicaciones de sensado. De manera específica, y en relación a su colaboración en el proyecto BioCell-Power, destaca la experiencia tecnología Lab-on-a chip (LOCs) para el desarrollo ulterior de dispositivos tipo Point-of-Care Testing (POCs) para la práctica clínica, al servicio de la salud y el bienestar de la sociedad.
Dando un paso más de cara al prototipado, se han desarrollado estrategias electrónicas para el empleo de la energía obtenida por la biopila empleando un módulo de evaluación preparado para almacenar y utilizar la energía generada por la biopila para el encendido de un LED, como modelo de dispositivo de bajo consumo que supone la prueba de concepto de la capacidad de generación y uso de energía a partir de la transformación de glucosa en la superficie del electrodo. Para ello se cuenta con la experiencia de los investigadores en el campo de la electrónica del ITE del departamento de Alta Tensión y Nuevos Materiales para el desarrollo de las estrategias para almacenamiento de energía y alimentación de dispositivos.
Así, la integración de este tipo de electrodos en prototipos cada vez más complejos contribuye a dar un paso más para mejorar la monitorización personal, respondiendo a la necesidad detectada en la sociedad de desarrollar nuevos dispositivos de monitorización y nuevas fuentes de energía capaces de alimentar los dispositivos electrónicos de nueva generación.
El proyecto BIOCELL-POWER, está financiado por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE) (EXP-00122536/CER-20191006).