Desarrollan un marcapasos sin batería que se carga con los latidos del corazón de los pacientes

Un equipo de investigadores estadounidense de la Universidad de Wisconsin-Madison ha creado un marcapasos implantable sin batería que se carga con los latidos del corazón del paciente. Este dispositivo tiene la capacidad de durar toda la vida, lo que disminuye los riesgos y los costes asociados con el reemplazo de los dispositivos cuando fallan sus baterías.

La investigación, dirigida por Pengfei Chen, investigador postdoctoral en ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Wisconsin-Madison, aparece publicada en la revista 'Science Advances'.

"Para un dispositivo como este, no se trata solo de producir energía. La densidad de potencia es lo más importante. Es necesario obtener suficiente potencia en un volumen lo suficientemente pequeño", afirma Xudong Wang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales que supervisa la investigación de Chen.

La iniciativa no es solo un ejercicio teórico. Los dispositivos alimentados por estos nanogeneradores podrían tener un impacto duradero en el bienestar del paciente. "Esta tecnología es increíblemente prometedora. Uno de los desafíos clínicos en el manejo de pacientes con marcapasos es la necesidad de reemplazar el generador cuando se agota la batería, lo que implica una reintervención quirúrgica", según Daniel Modaff, electrofisiólogo cardíaco del Hospital y Clínicas de la Universidad de Washington, quien añade: "Anhelo un mundo en el que podamos implantar un único dispositivo que dure toda la vida del paciente, y este es un gran paso para hacer realidad ese sueño".

El primero sin cables

En los últimos 70 años, los marcapasos (dispositivos eléctricos que estimulan el corazón para corregir los latidos irregulares) han avanzado desde aparatos sencillos y voluminosos que debían reemplazarse cada pocos años hasta pequeños y sofisticados dispositivos microelectrónicos capaces de detectar los ritmos cardíacos y ajustarse en tiempo real.

Durante muchas décadas, el tratamiento estándar fue el marcapasos transvenoso, un pequeño dispositivo alimentado por batería que se implantaba en el pecho y se conectaba al corazón mediante cables insertados en las venas.

En 2016, el marcapasos intracardíaco sin cables Micra llegó al mercado. Este pequeño dispositivo, contenido en una cápsula de titanio del tamaño aproximado de una pastilla de vitamina grande, se introduce por un catéter a través de la vena femoral hasta el corazón, donde se implanta en el ventrículo derecho. Este dispositivo avanzado permite una recuperación más rápida, reduce las complicaciones y no requiere implantación en el tórax del paciente.

El marcapasos intracardíaco tiene una desventaja importante. Su batería representa más de la mitad de su tamaño y peso, y solo dura entre 7 y 10 años. Una vez que la batería se agota, extraer el implante del corazón del paciente es difícil, por lo que a menudo se deja el marcapasos caducado en su lugar al insertar uno nuevo.

Esto supone un problema para los pacientes jóvenes, que pueden necesitar varios reemplazos de marcapasos a lo largo de su vida. Por eso, los investigadores buscan alternativas para alimentar estos dispositivos a largo plazo. Exploran diversas opciones, desde baterías de tritio hasta nanogeneradores piezoeléctricos (que producen electricidad al comprimirse o estirarse) y nanogeneradores triboeléctricos (que generan energía cuando dos materiales con cargas opuestas entran en contacto y luego se separan).

Sin embargo, hasta el momento, ninguno de estos diminutos dispositivos puede producir la energía suficiente para alimentar adecuadamente el marcapasos intracardíaco.

Limitaron el tamaño

Basándose en años de experiencia en la producción de dispositivos bioelectrónicos implantables y triboeléctricos innovadores, Wang y Chen decidieron comprobar si sus técnicas podían impulsar la tecnología de los marcapasos. Para empezar, limitaron el tamaño de su dispositivo para que pudiera introducirse en el compartimento de la batería del Medtronic Micra, el marcapasos intracardíaco sin cables más común, manteniendo el tamaño total del dispositivo.

Para ello, diseñaron estructuras triboeléctricas oscilantes especializadas que se podían instalar encima y debajo del paquete electrónico ubicado en el centro de la carcasa de titanio del Micra. Los osciladores están formados por pares de placas de electrodos conectadas entre sí, con un recubrimiento positivo de cobre en un lado y un recubrimiento negativo de película de etileno propileno fluorado en el otro.

Cuando late el corazón del paciente, el movimiento provoca la compresión de los osciladores, acercando las placas con cargas opuestas. Al separarse, estos pequeños movimientos generan una carga eléctrica que alimenta el marcapasos o se almacena en un pequeño condensador integrado. El diseño de este diminuto dispositivo requirió mucho ensayo y error.

"Tuvimos que pensar en cómo equilibrar la estabilidad y la flexibilidad para que pudiera oscilar millones y millones de veces, manteniendo el comportamiento mecánico deseado. Tuvimos que optimizar la ubicación y el ancho de cada cable, así como el grosor de cada placa de electrodo y sustrato", explica Chen.

Prototipo en un cerdo

Durante el proceso, los ingenieros colaboraron con un equipo interdisciplinario para abordar tanto las especificaciones técnicas como las médicas y avanzar en la tecnología hacia su aplicación clínica.

Las pruebas de laboratorio demuestran que el nanogenerador es capaz de producir 276,6 microvatios por centímetro cúbico, lo que no solo proporciona la potencia suficiente para el funcionamiento del marcapasos, sino que, además, ofrece una potencia de salida significativamente superior a la de las soluciones piezoeléctricas y triboeléctricas miniaturizadas anteriores.

Para probar el dispositivo, el equipo implantó un prototipo en un cerdo y observó su rendimiento y biocompatibilidad durante un mes. El nanogenerador logró estimular el corazón durante las pruebas funcionales, sin reacciones adversas más allá de las de los marcapasos intracardíacos convencionales alimentados por batería.

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