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Biosensores: técnicas de recolección de energía

[Biosensors: Energy Harvesting Techniques]

Redacción
Percepnet

Un biosensor se puede definir como un dispositivo compuesto por dos elementos fundamentales: un receptor biológico (por ejemplo, proteínas, DNA, células, …) preparado para detectar específicamente una sustancia, aprovechando la delicada especificidad de las interacciones biomoleculares, y un transductor o sensor, capaz de interpretar la reacción de reconocimiento biológico que produce el receptor y «traducirla» en una señal cuantificable. Los dos constituyentes del biosensor están integrados conjuntamente y es precisamente esta íntima unión de dos mundos opuestos (el «vivo» y el «inerte») la que confiere a los dispositivos biosensores sus especiales características de sensibilidad y selectividad.

Además de la sensibilidad y selectividad, una de las características fundamentales que hace tan atractivos a la mayoría de los biosensores es la posibilidad de realizar el análisis de la sustancia a determinar en tiempo real y de forma directa (sin necesidad de marcador), a diferencia de cualquier análisis biológico o clínico que requiere siempre un marcador (ya sea colorimétrico, fluorescente o radiactivo). Estas dos características le confieren a los biosensores la posibilidad de realizar no solo un análisis cualitativo (sí/no) y cuantitativo, sino también la posibilidad de evaluar la cinética de la interacción (constante de afinidad, asociación, disociación, ...) y, por tanto, elucidar los mecanismos fundamentales de dicha interacción. Pocas técnicas biotecnológicas permiten la evaluación en tiempo real de las cinéticas de interacción, por lo que la tecnología biosensora se está imponiendo en todas aquellas áreas donde es fundamental conocer los detalles cinéticos de la interacción biomolecular, como por ejemplo, en la evaluación de fármacos potenciales.

La ingeniería biomédica ha estado muy activa en los últimos años para conseguir que los biosensores puedan ser energéticamente autónomos. El objetivo es crear dispositivos capaces de capturar información biomédica del cuerpo, procesarla y comunicarse con el exterior vía radiofrecuencia, que obtengan por sí mismos la energía necesaria para llevar todo esto a cabo. El reto tecnológico está en reducir el consumo de los dispositivos hasta un nivel en el cual sea posible alimentarlos con la energía recolectada del propio cuerpo y el entorno. Ese nivel depende de la funcionalidad del biosensor tomando los expertos como referencia 1 mW.

En cuanto a la optimización de consumo, la clave está en el módulo de comunicación, ya que es el responsable de alrededor del 70% del consumo total. Para poder llegar al valor de referencia es necesario utilizar tecnologías ULP (Ultra Low Power).

Con respecto a la recolección de la energía, lo complicado está en aprovechar los bajos niveles disponibles con la eficiencia suficiente como para poder entrar en el rango de consumo del biosensor. A continuación, algunos ejemplos de las técnicas de recolección de energía que mejores resultados están obteniendo:

- Movimiento y vibraciones: utilizando mecanismos de transducción, principalmente piezoeléctricos (cristales naturales o sintéticos que no poseen centro de simetría) o electromagnéticos, se convierten los movimientos y vibraciones exteriores en electricidad que puede almacenarse para su uso posterior. Su alta eficiencia, comparada con otras técnicas, y las posibilidades de miniaturización la convierten en una de las opciones más interesantes.

- Mediante glucosa metabolizada por nuestro organismo para alimentar a las neuronas. Ingenieros del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) han desarrollado la tecnología para extraer electricidad de la glucosa del líquido cefalorraquídeo con la que alimentar implantes electrónicos en el encéfalo o la médula espinal.

Se trata de una pila de combustible capaz de generar electricidad a partir de la glucosa, que podría servir de base al desarrollo de implantes tanto para animales como para seres humanos. Esta celda se ha desarrollado con silicio y platino (usando métodos tradicionales de fabricación de circuitos integrados) en una pieza de 64 x 64 mm con la que se puede generar una potencia equivalente a varias decenas de milivatios.

- Otra interesante fuente de energía es mediante diferencias de temperatura entre el cuerpo y el aire del entorno: se basa en el efecto Peltier-Seebeck, una propiedad termoeléctrica que hace que surja una corriente entre una unión de dos metales a diferente temperatura. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, mayor es el potencial para la producción de energía. El problema está en encontrar materiales que conduzcan bien la electricidad pero no la temperatura, cuando generalmente son cosas que van unidas. Su eficiencia, de momento, es bastante baja, aunque desde el MIT se afirma que sus investigaciones van por buen camino.1 No obstante parece que el diseño definitivo puede provenir de la combinación de diferentes fuentes (luz natural, calor y vibraciones en el ambiente).2

- Y por último, un grupo de científicos también del MIT ha creado un diminuto dispositivo médico que usa la energía que hay en el oído como una batería, lo que sería un gran avance en el campo de los implantes cocleares y el estudio del oído.

En el oído interno de los mamíferos hay una cámara llena de iones que produce un potencial eléctrico que maneja las señales neuronales. Es un tipo de batería, que fue descubierta hace 60 años y solo ahora, por primera vez, se plantea la posibilidad de usarla para darle energía a dispositivos médicos.

En un artículo publicado recientemente en Nature Biotechnology, los investigadores dicen haber demostrado, por medio de un estudio con conejillos de indias, que esa batería natural puede proveer la energía que necesitan algunos implantes para realizar su trabajo sin perjudicar la audición.

Notas

1 Se puede consultar el artículo original en http://web.mit.edu/
2 Más información en http://web.mit.edu/

 

 

[+TECNOLOGÍA]
17/12/12
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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