Fuente de energía investigada para electrónica médica implantable

Fuente de energía investigada para electrónica médica implantable


Nueva investigación de la revista ACS Nano Letters demuestra el potencial de las celdas de biocombustible enzimáticas transitorias (TEBFC) basadas en grafeno inducido por láser (LIG)/nanopartículas de oro (NP) como fuente actual en electrónica transitoria y dispositivos médicos implantables (IMD).

Fuente de energía potencial explorada para electrónica médica implantable

​​​​​​Estudio: Células de biocombustible transitorias, implantables y ultradelgadas habilitadas por un compuesto de nanopartículas de oro y grafeno inducido por láser. Crédito: OSORIOartist/Shutterstock.com

Importancia de las fuentes de corriente transitoria en los IMD

Los IMD generalmente usan baterías miniaturizadas que contienen electrolitos líquidos corrosivos como fuentes de energía, lo que puede provocar el rechazo del injerto y dañar el tejido circundante si hay fugas de electrolitos. Por lo tanto, después de la implantación inicial de los IMD, a menudo se realiza un segundo procedimiento quirúrgico para reemplazar los IMD completos después de una falla o tratamiento, o para reemplazar las baterías agotadas, lo que causa más daño al sitio de implantación.

Las fuentes de energía transitoria con excelente biorreabsorción y biocompatibilidad pueden abordar estos problemas de manera efectiva. EBFC es un dispositivo adecuado que puede convertir de manera efectiva la energía bioquímica en electricidad y proporcionar una salida de energía estable y continua. Además, EBFC se puede desarrollar en forma de un dispositivo ultrafino y blando para reducir la sensación de cuerpo extraño en el sitio de implantación. Por lo tanto, los EBFC han recibido una atención considerable para aplicaciones de dispositivos implantables y portátiles.

Los nanomateriales de carbono se utilizan ampliamente como electrodos en EBFC debido a sus excelentes propiedades eléctricas, buena biocompatibilidad y gran área superficial. LIG se puede obtener fabricando una película delgada de grafeno de poliimida (PI) utilizando dióxido de carbono (CO) infrarrojo.2) láseres.

En EBFC y sensores enzimáticos, ciertos materiales funcionales, como partículas de nanometal y polímeros conductores, se utilizan como dopantes para mejorar la potencia de salida o la sensibilidad de los sensores. Entre estos dopantes, las NP de oro son las más adecuadas debido a su alta área superficial, conductividad y biocompatibilidad en comparación con otros dopantes.

En este estudio, los investigadores sintetizaron TEBFC implantables ultrafinos basados ​​en electrodos compuestos de oro NP/LIG y evaluaron su rendimiento.

Síntesis de la matriz TEBFCs

Un vidrio de cuarzo sirvió como sustrato portador temporal durante la síntesis. El vidrio se limpió secuencialmente usando acetona, etanol y agua desionizada (DI). El poli(metacrilato de metilo) (PMMA) se revistió por rotación a 2000 rpm durante 30 segundos y luego se calentó en una placa caliente a 200 grados Celsius durante 20 minutos para producir una capa de sacrificio de PMMA.

A continuación, se laminó sobre el vidrio una película de PI de 80 micrones a base de cinta y los electrodos LIG se obtuvieron directamente del PI laminado utilizando un CO2 infrarrojo de 10,64 micrones.2 Láseres en un entorno. El espaciado, la velocidad y la potencia de la línea láser se establecieron en 0,03 milímetros, 1000 milímetros por segundo y 1,8 vatios, respectivamente.

El ensamblaje de LIG resultante se sumergió en acetona durante 12 horas para eliminar la capa de sacrificio de PMMA residual, y luego se recubrió por rotación una capa de fotoprotector (PR) sobre el LIG para evitar que se desprendiera de las cintas solubles en agua después de la disolución. El electrodo LIG restante y PR en el vidrio se eliminaron con acetona y se usaron cintas solubles en agua para registrar el patrón para la impresión por transferencia.

Se obtuvo una película ultrafina de poli(ácido láctico-coglicólico) (PLGA) como sustrato receptor mediante el recubrimiento por rotación de una solución de PLGA sobre el vidrio de cuarzo. La cinta soluble en agua con matriz LIG se colocó luego sobre el sustrato de PLGA y la muestra se sumergió en agua durante 30 minutos para despegar la película de PLGA y disolver la cinta soluble en agua.

Luego, se esparcieron dos capas de nanocables de plata sobre la lámina de PLGA, que sirvió como cable de conexión. Finalmente, se hizo girar otra película de PLGA sobre la muestra así sintetizada, sirviendo como capa de encapsulación.

Durante la síntesis de electrodos compuestos LIG/Gold NPs, los electrodos se trataron con ozono ultravioleta (UVO) para mejorar su hidrofilia, y luego se agregó la solución acuosa de ácido cloroáurico al electrodo LIG. El electrodo se calentó a 80 grados Celsius durante 20 minutos para obtener electrodos compuestos LIG/Gold NPs.

Luego se agregaron lacasa y glucosa oxidasa a los cátodos y ánodos, respectivamente, y finalmente se agregaron dos microlitros de quitosano y un microlitro de albúmina de suero bovino (BSA) a cada electrodo para incrustar las enzimas.

Preparación y evaluación de las muestras sintetizadas

Se utilizaron voltametría de barrido lineal (LSV), voltametría cíclica (CV), espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) y microscopía electrónica de barrido (SEM) para caracterizar las muestras sintetizadas. Los investigadores también realizaron estudios in vivo e in vitro para evaluar la biocompatibilidad y la biorreabsorción de las muestras.

resultados del estudio

Se fabricó con éxito una matriz de TEBFC implantable basada en un electrodo compuesto LIG/Gold NPs. El electrodo compuesto LIG/Gold NPs mostró un área superficial alta y una impedancia baja, lo que aceleró la transferencia de electrones entre las superficies de los electrodos y los sitios activos de las enzimas.

La rápida transferencia de electrones mejoró en gran medida la potencia de salida con un potencial de circuito abierto (OCP) de 0,77 voltios, una densidad de potencia máxima de 483,1 μW/cm2y una densidad de corriente máxima de 3113,5 μA/cm2. Tal potencia de salida de los EBFC basados ​​en LIG se ha logrado por primera vez.

Además, el TEBFC ultradelgado mostró una vida útil prolongada y un tiempo de respuesta rápido al alcanzar el OCP máximo en un minuto. El TEBFC mantuvo sus actividades durante más de cuatro semanas en un ambiente biofluido a temperatura ambiente. Los TEBFC también mostraron un excelente rendimiento transitorio y biocompatibilidad en las pruebas in vivo e in vitro. Por lo tanto, se pueden implantar durante un largo período de tiempo con fines de recolección de energía.

Después de su uso, las TEBFC presentes en el sustrato de PLGA en una solución tampón de fosfato se degradaron en los cuerpos de los animales en menos de un mes y en 44 días sin causar inflamación.

En resumen, los resultados de este estudio mostraron que los TEBFC basados ​​en electrodos compuestos LIG/Gold NP tienen un potencial significativo como solución de energía efectiva para IMD y electrónica transitoria. Además, las TEBFC sintetizadas se pueden adaptar de acuerdo con los requisitos de los sitios de implantación y las intensidades iniciales.

referencia

Li J, Li H, Li D y otros. (2022) Células de biocombustible ultrafinas, implantables y transitorias habilitadas por un compuesto de nanopartículas de oro y grafeno inducido por láser. nano letras ACS. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c00864

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