Hoy en día, los sensores autónomos y{0}}autoalimentados se aplican en diversos campos, como el Internet de las cosas (IoT), la automatización industrial, las ciudades inteligentes y el monitoreo de la salud estructural (SHM). En este marco, la investigación académica ha sido pionera en soluciones sostenibles y circulares para satisfacer las demandas de energía de los dispositivos electrónicos en miniatura.
Según MEMS Consulting, investigadores de la Universidad de Perugia, Italia, han propuesto recientemente un método novedoso para medir remotamente la temperatura de las células biológicas y su entorno. Este enfoque utiliza energía eléctrica obtenida de una sola fibra muscular de platija. Un circuito RLC optimizado está integrado dentro de la celda, donde el capacitor sirve como unidad de almacenamiento de energía y sensor de temperatura, aprovechando su sensibilidad térmica inherente. Los datos experimentales confirmaron que el sistema desarrollado puede transmitir temperatura de forma inalámbrica utilizando la energía obtenida de la membrana celular y funciona dentro del rango biológicamente relevante (de 30 a 50 grados). Este-sensor de temperatura autoalimentado tiene potencial para mejorar la detección biomédica y el monitoreo remoto de temperatura no-invasivo. Los hallazgos de la investigación se publicaron en la revista Nano Energy con el título "Sensores de temperatura autoalimentados que aprovechan el potencial de membrana de las células vivas".
En este trabajo, los investigadores consideraron que las fibras musculares pueden maximizar la diferencia de potencial de membrana, ya que su potencial de reposo puede alcanzar los -90 mV. Exploraron la utilización del potencial de membrana de las fibras musculares de la suela para evaluar la viabilidad de implementar una tecnología de biosensores autoalimentados. Se emplearon simulaciones preliminares de LTspice para diseñar un sistema de comunicación inalámbrica capaz de medir el parámetro biológico de temperatura de interés. Para ello, los investigadores modelaron y optimizaron un circuito RLC cuya frecuencia de oscilación varía con la temperatura celular. Esto permitió fabricar y probar sensores de temperatura accionados directamente por fibras musculares únicas en diversas condiciones experimentales, lo que permitió evaluar su eficiencia y confiabilidad generales.
Generador bioeléctrico y circuito de recolección de energía
A través de la configuración experimental de los investigadores, se pueden aprovechar las variaciones en el condensador C1 para utilizar la frecuencia de oscilación amortiguada a diferentes temperaturas. Dado que las fibras del músculo esquelético están presentes en todo el cuerpo de los mamíferos, el método de los investigadores permite implantar un sensor de temperatura autoalimentado en cualquier parte del cuerpo humano. Esto facilita el seguimiento y la comprensión de las fluctuaciones de la temperatura intracelular, que pueden tener implicaciones importantes para diversos procesos biológicos-como la proliferación de tumores de mama malignos-o para la integración de bio-robots para la administración dirigida de fármacos.
Configuración experimental
Los investigadores también realizaron pruebas experimentales con la energía generada por células biológicas. Aislaron músculo de platija de ratones e insertaron un electrodo intracelular en una sola fibra, demostrando la viabilidad de recolectar energía eléctrica directamente de la membrana celular. Durante las pruebas, recolectaron un voltaje de -60 mV y 2 µJ de energía eléctrica, que se almacenó en un capacitor de 1 mF y finalmente se utilizó para alimentar un dispositivo sensor pasivo. Los investigadores demostraron que el músculo esquelético funcionó incluso mejor que los ovocitos utilizados en estudios anteriores.
Carga de un condensador a través de fibras musculares de platija
Los investigadores compararon los resultados experimentales con un modelo de circuito RLC y revelaron una buena concordancia entre los datos medidos y las predicciones teóricas. Sin embargo, el bajo voltaje obtenido de las fibras puede plantear desafíos a la hora de implementar interfaces electrónicas de baja-potencia para la comunicación inalámbrica. Sin embargo, el sensor de temperatura autónomo propuesto en este estudio utiliza un condensador de almacenamiento específicamente seleccionado conectado al generador de bio-energía y puede comunicarse con un receptor externo a corta distancia (10 mm).
Este sensor de temperatura, una vez calibrado, transmite datos de temperatura en un ancho de banda de 160 Hz en todo el rango desde temperatura ambiente hasta temperaturas biológicamente relevantes (30 grados a 50 grados). La miniaturización futura podría permitir una detección de temperatura de mayor-frecuencia, pero esto requiere diseñar cuidadosamente la eficiencia energética del circuito electrónico para minimizar las resistencias parásitas y una mayor disipación de energía.
Características del sensor de temperatura
En resumen, los investigadores han destacado el potencial de las células biológicas como fuentes de energía para aplicaciones biointegradas-a pequeña-. Aprovechando las funcionalidades de las células vivas-particularmente las células animales (fibras musculares)-la energía química se puede convertir en energía eléctrica, lo que permite el desarrollo de sensores bio-incrustados autoalimentados. En comparación con las baterías recargables y las tecnologías de recolección de energía cinética, esta solución ofrece claras ventajas, allanando el camino para la futura integración de la electrónica bio-incrustada en los sistemas biológicos. Esta tecnología es prometedora para establecer una clase de sensores bio-autónomos capaces de interactuar directamente con células biológicas dentro de organismos vivos. La investigación y el desarrollo adicionales en este campo contribuirán a los avances en las técnicas de recolección de energía y la evolución de la electrónica bio-incrustada.