Crean un sensor blando de luz para monitorear la actividad del corazón y el cerebro

Durante décadas, estudiar la actividad eléctrica del corazón o del cerebro exigió colocar en el cuerpo dispositivos fabricados con materiales rígidos —como el silicio y los metales— que frecuentemente dañan los tejidos blandos o provocan el rechazo del implante.

Pero ahora, un equipo de ingenieros biomédicos de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW), en Australia, presentó un sensor óptico completamente flexible, bautizado como optrode, que convierte las señales eléctricas del organismo en impulsos de luz sin necesidad de cables ni electrónica local. El dispositivo, probado en animales, registró una tasa de viabilidad celular del 98,4%, lo que sugiere que el cuerpo lo tolera bien.

Enfermedades como la epilepsia refractaria, las arritmias cardíacas o los accidentes cerebrovasculares exigen vigilancia continua de señales eléctricas muy débiles: un paciente puede necesitar un implante que registre durante semanas la actividad de su corteza cerebral para que los médicos localicen con exactitud el foco de las convulsiones, información imprescindible antes de considerar una cirugía.

Los dispositivos disponibles, sin embargo, generan interferencias eléctricas, producen calor cerca de los tejidos y pierden precisión a medida que se miniaturizan. Los hallazgos se publicaron en la revista npj Flexible Electronics.

Un material que imita al cuerpo humano

Para entender la novedad del optrode, se puede recurrir a una analogía: los implantes tradicionales son como introducir una varilla de metal dentro de una esponja mojada. La dureza del material daña la esponja con el tiempo.

El nuevo sensor, en cambio, está fabricado con polímeros blandos de alto rendimiento —materiales plásticos especialmente diseñados para interactuar sin riesgo con los tejidos del cuerpo— que imitan la suavidad y la flexibilidad de los órganos internos.

Uno de esos polímeros conserva su capacidad conductora incluso después de ser doblado 10.000 veces, un requisito indispensable para cualquier implante sometido al movimiento constante del corazón o del pulmón.

En la capa central del dispositivo se ubica una lámina de cristales líquidos —la misma clase de tecnología que forma las imágenes en los televisores y monitores modernos— con una sensibilidad capaz de detectar variaciones de señal a niveles de submillivoltio.

Para dar una idea de la escala: un millivoltio equivale a la milésima parte de un volt, la unidad eléctrica que alimenta una pila de linterna. Las señales del cerebro y del corazón son aún más débiles que eso.

“Los implantes bioelectrónicos son dispositivos que pueden colocarse en el cuerpo para monitorear señales eléctricas de órganos como el corazón y el cerebro. Ayudan a los médicos a rastrear cambios y patrones en la salud de una persona a corto y largo plazo”, afirmó la doctora Reem Almasri, primera autora del trabajo e investigadora de la Escuela de Ingeniería Biomédica de UNSW, según el comunicado de prensa de la institución.

Luz en lugar de electricidad

El mecanismo central del optrode se basa en un proceso llamado transducción pasiva: cuando llega una señal eléctrica —por ejemplo, la que emite el corazón al latir—, los cristales líquidos reorientan físicamente su posición en función de la intensidad de esa señal.

Ese cambio de orientación altera la forma en que la luz los atraviesa, y esa variación lumínica se convierte en la información medible. El sensor no genera electricidad propia ni interfiere con la actividad natural del órgano.

“Diseñamos este sistema para que los cristales orienten su ángulo dependiendo de la amplitud de la señal aplicada, por ejemplo, una señal cerebral. Mediante señales de luz, mide el porcentaje de cambio y lo convierte en salidas ópticas cuantificables”, explicó Almasri.

La ausencia de amplificadores y cables metálicos en el sitio de contacto con el tejido resuelve otro de los problemas clásicos de los electrodos convencionales. Los aparatos del entorno —equipos médicos, luminaria, otros dispositivos— generan campos electromagnéticos que contaminan las lecturas biológicas; al operar con luz, el nuevo sensor queda blindado frente a ese tipo de interferencias.

“Los amplificadores pueden ayudar a reducir la interferencia eléctrica y mejorar la calidad de la señal en el sitio. Sin embargo, suelen ser voluminosos y pueden generar calor alrededor del tejido circundante, lo que potencialmente limita el rendimiento del sistema“, señaló la investigadora.

Tamaño microscópico, señal intacta

Una de las ventajas más notorias del nuevo dispositivo es su capacidad para reducir su tamaño a escala microscópica sin perder calidad de lectura. Los electrodos convencionales enfrentan una paradoja técnica: cuanto más pequeños se fabrican, más difícil resulta separar la señal biológica del ruido de fondo eléctrico. El optrode sortea esa limitación al funcionar en el dominio de la luz y no en el de la electricidad.

“En nuestra tecnología, podemos reducir el sensor a decenas de micrones —aproximadamente la mitad del ancho de un cabello humano— sin perder calidad de señal ni introducir ruido eléctrico adicional“, según la Universidad de Nueva Gales del Sur. Un micrón equivale a una milésima parte de un milímetro: a esa escala, el dispositivo podría apoyarse sobre un único tipo de célula sin afectar a las vecinas.

Las pruebas de compatibilidad biológica también arrojaron datos positivos. El equipo evaluó el comportamiento del sensor en cultivos celulares —muestras de células mantenidas vivas en laboratorio— y no encontró signos de toxicidad ni contaminación.

“Nuestras pruebas in vitro mostraron que el optrode no afectó el crecimiento ni la viabilidad celular en comparación con los controles de silicio, que se usan ampliamente en los dispositivos actuales de biomonitoreo”, afirmó Almasri.

Aunque los resultados en animales validan las capacidades del sensor, los investigadores identifican nuevos estudios in vivo —en organismos vivos, a diferencia de los cultivos de laboratorio— como el paso inmediato para mejorar la resolución de las lecturas.

El equipo también apunta a ampliar el rango de frecuencias del dispositivo: “Queremos expandir el ancho de banda de la señal más allá de los 10 kilohertz para capturar el disparo de neuronas individuales”, detalló Almasri.

Un kilohertz equivale a mil ciclos por segundo; aumentar ese umbral permitiría registrar la actividad de cada neurona por separado, algo que los sistemas actuales no pueden hacer con precisión.

Más allá del corazón y el cerebro, la tecnología tiene proyección hacia otras zonas del organismo: el intestino, los músculos o incluso células individuales. “También hay una oportunidad para mejorar la alineación de los cristales líquidos. Si aumentamos la sensibilidad del dispositivo, podríamos detectar señales a nivel de micrón“, señaló Almasri.