Desarrollan un marcapasos ultrafino y mínimamente invasivo controlado por luz

Millones de personas en el mundo dependen de marcapasos: pequeños dispositivos que regulan los impulsos eléctricos del corazón para que siga latiendo sin problemas. Pero para reducir las complicaciones, uno de los objetivos de la ciencia es hacer estos dispositivos aún más pequeños y menos intrusivos.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Chicago ha desarrollado un dispositivo inalámbrico en forma de membrana, alimentado por luz, que puede implantarse para regular la actividad cardiovascular o neuronal del cuerpo. La ligera membrana, más delgada que un cabello humano, se puede insertar con cirugía mínimamente invasiva y no contiene partes móviles. "Los primeros experimentos han sido muy exitosos y tenemos muchas esperanzas sobre el futuro de esta tecnología traslacional", ha explicado Pengju Li, estudiante de posgrado de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago y primer autor del artículo.

La membrana

El laboratorio del profesor Bozhi Tian lleva años desarrollando dispositivos que pueden utilizar una tecnología similar a las células solares para estimular el cuerpo. Los sistemas fotovoltaicos son atractivos para este propósito porque no tienen partes móviles ni cables que puedan romperse o volverse intrusivos, algo especialmente útil en tejidos delicados como el corazón. Y en lugar de una batería, los investigadores simplemente implantan una pequeña fibra óptica para proporcionar energía.

Pero para obtener los mejores resultados, los científicos tuvieron que modificar el sistema para que funcionara con fines biológicos, en lugar de como se diseñan habitualmente las células solares. "En una célula solar, lo que se desea es recolectar la mayor cantidad de luz solar posible y mover esa energía a lo largo de la célula sin importar qué parte del panel reciba el impacto", explicó Li. "Pero para esta aplicación, es necesario poder iluminar un área muy localizada y activar solo esa área".

Por ejemplo, una terapia cardíaca común se conoce como terapia de resincronización cardíaca, en la que diferentes partes del corazón se vuelven a sincronizar con cargas sincronizadas con precisión. En las terapias actuales, eso se logra con cables, que pueden tener sus propias complicaciones.

Li y el equipo se propusieron crear un material fotovoltaico que solo se activara donde incidiera la luz. El diseño final que eligieron tiene dos capas de un material de silicio conocido como tipo P, que responde a la luz creando una carga eléctrica. La capa superior tiene muchos agujeros diminutos (una condición conocida como nanoporosidad) que aumentan el rendimiento eléctrico y concentra la electricidad sin permitir que se propague.

El resultado es una membrana minúscula y flexible que se puede insertar en el cuerpo mediante un tubo diminuto junto con una fibra óptica: una cirugía mínimamente invasiva. La fibra óptica se ilumina siguiendo un patrón preciso, que la membrana capta y convierte en impulsos eléctricos.

La membrana tiene sólo un micrómetro de espesor (unas 100 veces más pequeña que el cabello humano más fino) y unos pocos centímetros cuadrados. Pesa menos de una quincuagésima parte de un gramo; significativamente menos que los marcapasos más modernos, que pesan al menos cinco gramos. "Cuanto más liviano es un dispositivo, más cómodo suele resultar para los pacientes", ha comentado Li.

Esta versión particular del dispositivo está diseñada para uso temporal. En lugar de realizar otra cirugía invasiva para extraer el marcapasos, este simplemente se disuelve con el tiempo en un compuesto no tóxico conocido como ácido silícico. Sin embargo, según los investigadores, los dispositivos podrían diseñarse para durar diferentes períodos de vida deseados, dependiendo de cuánto tiempo se desee la estimulación cardíaca. "Este avance supone un punto de inflexión en la terapia de resincronización cardíaca", afirmó Narutoshi Hibino, profesor de cirugía de la Universidad de Medicina de Chicago y coautor correspondiente del estudio. "Estamos en la cúspide de una nueva frontera donde la bioelectrónica puede integrarse perfectamente con las funciones naturales del cuerpo".

Uso ligero

Aunque los primeros ensayos se realizaron con tejido cardíaco, el equipo explica que el enfoque podría usarse también para la neuromodulación: estimular los nervios en trastornos del movimiento como el Parkinson, por ejemplo, o para tratar el dolor crónico u otros trastornos. Li acuñó el término "fotoelectrocéuticos" para este campo.

Los resultados del estudio, que han sido publicados en la revista Nature, podrían ayudar a reducir las complicaciones en la cirugía cardíaca y ofrecer nuevos horizontes para dispositivos futuros.

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