Entretejer la electrónica con los sistemas vivos

Mayo, 2024

La vida moderna está llena de aparatos electrónicos que pretenden hacernos la vida más cómoda y conectada. Desde los teléfonos inteligentes hasta los hogares inteligentes, los dispositivos digitales se han entrelazado profundamente con nuestra forma de trabajar, jugar e interactuar con el mundo. Sin embargo, la mayoría de los aparatos electrónicos carecen de una característica clave: la capacidad de integrarse a la perfección con las superficies vivas y respirables de nuestros cuerpos y entornos. ¿Y si nuestros aparatos electrónicos pudieran formar vínculos imperceptibles con la piel, las plantas y otros materiales biológicos? Un equipo de investigadores de la Universidad de Cambridge puede haber encontrado una forma innovadora de hacerlo mediante la fabricación de "fibras bioelectrónicas" orgánicas. 
 
La electrónica tradicional tiene dificultades para integrarse en las formas irregulares y cambiantes de los seres vivos. Los componentes electrónicos finos y rígidos no se adaptan a las arrugas, dilataciones y compresiones bajo la piel o sobre las hojas de las plantas. Además, corren el riesgo de interferir en las sensaciones, funciones y transformaciones naturales por su volumen, rigidez y limitada transpirabilidad. Según el Dr. Yan Shery Huang, director del estudio, del Departamento de Ingeniería de Cambridge, "lo ideal sería que las interfaces bioelectrónicas no obstruyeran las sensaciones y cambios fisiológicos inherentes a sus huéspedes".
Para resolver estos problemas, la Dra. Huang y sus colaboradores recurrieron a un método fibroso inspirado en las telas de araña. Las arañas son expertas arquitectas de mallas intrincadas y ligeras que se adaptan perfectamente a su entorno. Los investigadores se preguntaron si las fibras electrónicas a microescala podrían lograr hazañas similares de aumento personalizable y mínimamente perturbador al desplegarse directamente sobre sustratos vivos.
 
La clave fue desarrollar "fibras bioelectrónicas" especiales fabricadas a partir de compuestos biocompatibles como el poli(3,4-etilendioxitiofeno):poliestireno sulfonato (PEDOT:PSS), un polímero conductor de la electricidad. Mezclando soluciones de PEDOT:PSS con sustancias como ácido hialurónico y óxido de polietileno, el equipo obtuvo una "solución viscoelástica" capaz de formar fibras finas y duraderas mediante un ingenioso proceso de "hilado orbital".
En la hilatura orbital, los investigadores anclan un brazo giratorio sobre una superficie objetivo, ya sea la yema de un dedo, una hoja de planta o un embrión de pollo. Al girar el brazo, sus bordes baten hilos de solución directamente desde la boquilla de una jeringuilla hasta el objetivo situado debajo. Las fuerzas capilares y viscosas, junto con las rotaciones, esculpen el material en hebras que se adhieren con precisión donde es necesario. Mediante el ajuste de variables como la velocidad de hilatura, una sola boquilla puede crear complejos patrones de fibras casi tan rápidamente como las arañas tejen sus telas.
Aplicando este método, los investigadores consiguieron "atar" fibras bioelectrónicas de entre 1 y 5 micrómetros de grosor a una gran variedad de formas vivas. La microscopía electrónica reveló que las fibras se acoplaban íntimamente a hendiduras y contornos microscópicos, desde tricomas vegetales y folículos pilosos hasta huellas dactilares. Este contacto a nanoescala es crucial, ya que permite transmitir sutiles señales eléctricas, térmicas y de humedad desde las superficies inferiores.
 
 
Resulta significativo que las pruebas descubrieran que los toques de hilatura de luz dejaban inalteradas muestras biológicas como embriones de pollo y hojas sensibles de Mimosa pudica. "Nuestros resultados demuestran que los embriones de pollo de día 2 con redes de fibras en el tejido en desarrollo muestran tasas de crecimiento normales", señala el Dr. Huang. Por tanto, la deposición de fibras afecta a sustratos vivos poco más que las patas de una araña en contacto con hojas y paredes.
Armados con sus redes de fibras mínimamente perturbadoras, los investigadores crearon diversos sensores imperceptibles. Sobre piel humana, construyeron electrodos de electrocardiograma y electromiograma que rastreaban los latidos del corazón y los movimientos musculares. Las fibras también podían transformar las yemas de los dedos en circuitos vivos al emparejarlas con hojas de plantas sensibles al tacto, lo que permitía el registro doble del electrocardiograma de dos individuos en contacto físico.
 
 
En las plantas, las redes de fibras distribuidas detectaron la exposición ambiental al amoníaco mediante cambios en el brillo de un LED cuando se alimentaba a través de la red. Y en las hojas, los investigadores incluso "reescribieron" los circuitos de fibra in situ borrando las trazas no deseadas y añadiendo nuevas conexiones, lo que demuestra cómo las redes de fibra fomentan la detección adaptativa y reconfigurable a lo largo del cambio evolutivo.
 
 
Y lo que es más sorprendente, las fibras bioelectrónicas se casaron con sustratos de escala micrométrica a centimétrica. El equipo acopló matrices de fibras directamente a componentes electrónicos prefabricados, como micro-LED, sin necesidad de adhesivos o sustitutos para propiedades materiales ausentes, como la elasticidad. En el futuro, una unión interfacial en seco similar podría unir fibras a tejidos electrónicos, convirtiendo la maquinaria blanda en tejidos vegetales y humanos resistentes.
 
En comparación con otros métodos de aumento, la técnica de la fibra resulta excepcionalmente sostenible. Sus materias primas son compuestos que abundan en la Tierra, y los procesos consumen un mínimo de energía y volúmenes de solución, y generan pocos residuos. Las redes fabricadas también han demostrado ser reparables y reciclables, y las fibras recogidas se pueden redisolver en tintas para imprimir en 3D dispositivos posteriores. Según Iek Man Lei, coautor del estudio y profesor de la Universidad de Macao, estos ciclos de vida cerrados podrían ayudar a reducir el impacto ambiental de la electrónica.
 
 
Al unir la biología y la tecnología en los extremos de los hilos, esta obra abre un camino hacia uniones más naturales e imperceptibles entre las formas vivas y el mundo digital en general. Al poner la electrónica en contacto íntimo con superficies abigarradas a múltiples escalas, las fibras bioelectrónicas podrían un día envolvernos a nosotros, a las plantas y a otros seres en versátiles pieles sensoriales. Si se escalan e integran cuidadosamente, estos aumentos podrían reportar beneficios para la salud, el medio ambiente y la agricultura, complementando -no copiando- las propiedades inherentes a la vida. Al fin y al cabo, fabricar componentes electrónicos a partir de hilos fibrosos puede ser la mejor manera de integrar la maquinaria en los tapices de la Naturaleza. Aunque aún se encuentra en sus primeras fases, esta investigación abre posibilidades para que la tecnología forme parte de nuestro mundo de forma cada vez más imperceptible.

Referencia(s)

  1. DOI: 10.1038/s41928-024-01174-4

 

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DIAGNÓSTICO | MEDICINA

Sobre el autor

  • Dilruwan Herath

    Dilruwan Herath es un médico británico especializado en enfermedades infecciosas y ejecutivo médico farmacéutico con más de 25 años de experiencia. Como médico, se especializó en enfermedades infecciosas e inmunología, desarrollando una decidida orientación hacia el impacto en la salud pública. A lo largo de su carrera, el Dr. Herath ha desempeñado varias funciones de liderazgo médico de alto nivel en grandes empresas farmacéuticas mundiales, liderando cambios clínicos transformadores y garantizando el acceso a medicamentos innovadores. En la actualidad, es miembro experto de la Facultad de Medicina Farmacéutica en su Comité de Enfermedades Infecciosas y sigue asesorando a empresas de ciencias de la vida. Cuando no ejerce la medicina, al Dr. Herath le gusta pintar paisajes, los deportes de motor, la programación informática y pasar tiempo con su joven familia. Mantiene un ávido interés por la ciencia y la tecnología. Es EIC y fundador de DarkDrug.

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