Desarrollan un marcapasos sin batería que obtiene energía de los propios latidos del corazón

Un equipo de la University of Wisconsin-Madison presentó un marcapasos implantable sin batería que se alimenta con los propios latidos del corazón, una propuesta orientada a resolver uno de los principales límites de estos dispositivos en su versión más pequeña, según un estudio publicado en Science Advances.

La limitación que intenta resolver es concreta: en algunos marcapasos intracardíacos actuales, la batería representa más de la mitad del tamaño y del peso del dispositivo y su duración suele ubicarse entre siete y 10 años. Cuando se agota, puede ser necesario implantar otro equipo y, en ciertos casos, dejar el anterior dentro del corazón.

El desarrollo se apoya en un generador diminuto que convierte el movimiento cardíaco en electricidad. De acuerdo con el comunicado institucional, la potencia obtenida alcanzó para operar un prototipo de estimulador cardíaco, un dato central para sostener la viabilidad de este diseño en una categoría de dispositivos muy pequeños.

La batería ocupa más de la mitad de algunos marcapasos intracardíacos

Los marcapasos envían impulsos eléctricos al corazón para corregir ritmos anormales. Durante décadas predominó el modelo transvenoso, colocado en el pecho y conectado al corazón por cables que avanzan por las venas, hasta que en 2016 apareció el marcapasos intracardíaco o leadless, implantado dentro del ventrículo derecho a través de un catéter.

El punto adquiere más peso en pacientes jóvenes. Retirar un marcapasos alojado dentro del corazón puede resultar difícil, de modo que a veces el dispositivo agotado permanece en su lugar mientras se inserta uno nuevo.

El electrofisiólogo cardíaco de UW Hospital and Clinics Daniel Modaff, coautor del trabajo, resumió ese problema en el comunicado institucional: “Uno de los desafíos clínicos en el manejo de pacientes con marcapasos es la necesidad de procedimientos de recambio del generador cuando la batería se agota, lo que implica una nueva intervención para reemplazarlo”.

La búsqueda de una fuente alternativa no empezó con este trabajo. Según el comunicado, otros grupos habían explorado baterías de tritio, generadores piezoeléctricos y generadores triboeléctricos, una tecnología que produce electricidad cuando dos materiales con cargas opuestas entran en contacto y luego se separan.

El prototipo generó 276,6 microvatios por centímetro cúbico y funcionó durante un mes en un cerdo

El equipo liderado por Pengfei Chen, investigador posdoctoral en ciencia e ingeniería de materiales en UW-Madison, diseñó el generador con una exigencia específica: debía entrar en el compartimento de la batería del Micra, uno de los marcapasos intracardíacos más difundidos. La meta era mantener el tamaño total del implante y reemplazar la batería por una estructura capaz de recolectar energía del propio corazón.

Para conseguirlo, los investigadores desarrollaron estructuras triboeléctricas oscilantes ubicadas por encima y por debajo del paquete electrónico. Esas piezas combinan pares de placas conductoras conectadas entre sí, con un recubrimiento positivo de cobre en un lado y una película negativa de etileno propileno fluorado en el otro.

Cada latido comprime el sistema y cada relajación separa las superficies, lo que genera carga eléctrica. Esa energía alimenta el marcapasos o queda almacenada en un capacitor, un componente que conserva carga durante períodos breves para su uso inmediato.

Chen explicó en el comunicado que el trabajo exigió un ajuste fino de materiales y geometrías: “Tuvimos que pensar cómo equilibrar la estabilidad y la flexibilidad para que pudiera oscilar millones y millones de veces y conservar el comportamiento mecánico deseado”. También señaló que debieron optimizar “la ubicación y el ancho de cada cable, y el espesor de cada placa de electrodo y sustrato”.

El profesor de ciencia e ingeniería de materiales Xudong Wang sostuvo que el reto no era solo generar energía, sino hacerlo en un volumen mínimo. “Para un dispositivo como este, no se trata solo de producir energía. La densidad de potencia es la parte más importante. Hace falta obtener suficiente energía en un volumen lo bastante pequeño”, dijo, citado por la publicación.

Las pruebas de laboratorio mostraron una densidad de potencia de 276,6 microvatios por centímetro cúbico, suficiente para operar el marcapasos y superior a la informada en soluciones miniaturizadas previas, tanto piezoeléctricas como triboeléctricas. Después, el equipo implantó un prototipo en un cerdo y siguió su funcionamiento y biocompatibilidad durante un mes.

Según la universidad, el dispositivo logró alimentar la estimulación cardíaca durante las pruebas funcionales y no aparecieron reacciones adversas distintas de las observadas con marcapasos intracardíacos convencionales a batería. Ese resultado, aunque temprano, ofreció una señal experimental favorable.

El movimiento real del corazón todavía reduce el rendimiento del sistema

Los investigadores también marcaron los límites del avance. Dentro del corazón del cerdo, el generador no alcanzó el mismo pico de potencia registrado en el laboratorio porque el tejido cardíaco, por su consistencia blanda, amortigua parte del movimiento mecánico del oscilador.

A eso se suma que el corazón no se mueve solo hacia arriba y hacia abajo. También realiza un movimiento de torsión, menos favorable para el rendimiento máximo del sistema.

Wang describió ese obstáculo en el comunicado institucional: “Queremos encontrar la forma de transferir con eficiencia el movimiento más irregular del corazón hacia esta oscilación mecánica”. El investigador agregó que todavía deben demostrar “una generación de energía suficiente y estable a partir de corazones in vivo” antes de cualquier avance hacia ensayos clínicos en humanos.

Modaff planteó en el comunicado una proyección clínica de largo plazo: “Espero un mundo en el que podamos implantar un solo dispositivo que dure toda la vida de un paciente, y este es un gran paso para acercarse a ese objetivo”, afirmó.

La expectativa también alcanza a otros equipos cardíacos implantables. El especialista en cardiología de grandes animales del Center for Biomedical Swine Research and Innovation Eric Schmuck dijo en el comunicado que “lo que más entusiasma de esta tecnología no es simplemente su capacidad para alimentar un marcapasos, sino cómo podría habilitar la próxima generación de dispositivos cardíacos implantables”.

La universidad informó que el dispositivo ya fue registrado ante la Wisconsin Alumni Research Foundation, mientras continúan los trabajos para mejorar su desempeño dentro del corazón real.