Celulas Biocombustible

Podría sonar demasiado rebuscado, pero bajo a los piés de los Alpes, el doctor Serge Cosnier y su equipo en la Universidad Joseph Fourier de Grenoble, en el sur de Francia, han construido un dispositivo que lo haría posible.

El aparato, que es llamado célula de biocombustible o célula de combustible biológico, utiliza la glucosa y el oxígeno de las concentraciones que se almacenan en el cuerpo para generar electricidad. Se trata del primer equipo de científicos en el mundo que demuestran que su dispositivo funciona tras ser implantado en un animal vivo.

Si todo marcha como está planeado, las células de biocombustibles podrían ser usadas para alimentar con energía a una amplia gama de implantes médicos, desde sensores y dispositivos para suministrar medicamentos internamente hasta órganos artificiales. Todo lo que necesitas para activarlos es comer una barra dulce o una bebida gaseosa.

Revolución

Las células de biocombustibles podrían iniciar una revolución en el mundo de los órganos artificiales y las prótesis, lo cual podría transformar las vidas de decenas de miles de personas cada año. Una nueva gama de órganos artificiales, impulsada por electricidad, está en pleno desarrollo, incluyendo corazones, riñones y esfínteres urinarios.

También ha comenzado el desarrollo de miembros artificiales como manos, dedos e incluso ojos. Pero todos tienen un talón de Aquiles: necesitan de electricidad para funcionar. Las pilas son lo suficientemente buenas para algunos implantes que no requieren mucha energía, pero se agotan muy rápido.

Incluso dispositivos que no usan mucha electricidad, como los marcapasos, tienen una vida útil limitada debido a que dependen de las baterías. Usualmente, es necesario que dichas baterías se remplacen después de cinco años de su implantación. Un estudio en Estados Unidos determinó que uno de cada cinco personas de 70 años, que tienen implantado un marcapasos, sobrevivió por otros 20 años.

Eso significa que ese grupo de adultos mayores necesitó, tras el primer implante, alrededor de tres operaciones adicionales, sólo para poder remplazar la batería. Cada operación está acompañada de los riesgos de cualquier intervención quirúrgica. Algo que si cualquiera persona puede evitar, lo haría.

Órganos artificiales como riñones, ojos o brazos, requerirían tal nivel de energía que sería necesario una recarga en cuestión de semanas para mantenerlos funcionando. No sería práctico usar pilas en esos dispositivos.

Es así como las células biocombustibles se convierten en una esperanza. El doctor Cosnier y su equipo son uno de los grupos de investigadores en todo el mundo que desarrollan la tecnología para reducir las limitaciones inherentes.

Fluidos corporales

Las células de biocombustibles son increíblemente simples. Están hechas de dos electrodos especiales, uno tiene la propiedad de remover los electrones de la glucosa y, el otro, tiene la habilidad de donar electrones a las moléculas de oxígeno e hidrogeno, produciendo agua.

Los electrodos se unen en una solución que contiene glucosa y oxígeno.

Un electrodo empezará a extraer electrones de la glucosa y el otro comenzará a vaciar electrones en el oxígeno.

Se conectan los electrodos a un circuito y se produce un flujo neto de electrones, lo que resulta en una corriente eléctrica.

La glucosa y el oxígeno están disponibles en el cuerpo humano. Por eso, hipotéticamente hablando, una célula de biocombustible podría mantenerse trabajando indefinidamente.

"Una batería consume la energía que tiene almacenada y cuando se acaba, se acaba. Una célula de biocombustibles, en teoría, puede funcionar sin límites porque consume sustancias que provienen de los fluidos fisiológicos y son constantemente repuestos", indicó Cosnier.

La idea de células que reciben energía de la glucosa y del oxígeno presentes en fluidos fisiológicos fue planteada por primera vez en la década de los años setenta, pero se quedó en el camino porque la cantidad de energía que los prototipos iniciales produjeron era demasiado poca para usos prácticos.

Sin embargo, en 2002, los avances en la biotecnología impulsados por Itamar Willner, un investigador en la Universidad Hebrea en Jerusalén, le dio un nuevo vistazo a la teoría.

En una investigación publicada en la prestigiosa revista, Science, Willner señaló que gracias a los avances en la biotecnología, llegaría el día en que dispositivos como miembros y órganos artificiales serían impulsado por células de combustible biológico que crean electricidad a partir de fluidos corporales. "Desde entonces, las células biocombustibles han tenido una gran atención", dijo la doctora Eileen Yu, investigadora en la Universidad de Newcastle, que forma parte del proyecto para desarrollar dichos dispositivos.

Nanotecnología

La clave de los recientes avances ha sido en parte a que hemos profundizado nuestro conocimiento sobre moléculas biológicas conocidas como enzimas. Las enzimas son moléculas de origen natural que impulsan reacciones químicas.

Los investigadores que estudian la células de combustible biológico descubrieron que una enzima en particular conocida como glucosa oxidasa es extremadamente buena para remover electrones de la glucosa. "Es muy eficiente para generar electrones", señaló Willner.

Impulsados por nuevos desarrollos en lo que respecta a la manipulación de enzimas y al crecimiento en la disponibilidad de nanotubos de carbono (que son conductores altamente eficientes), muchos grupos de investigadores en el mundo han desarrollado células de combustible biológico capaces de producir electricidad.

En 2010, el doctor Cosnier y su equipo probaron una célula de biocombustible en una rata por 40 días y reportaron que funcionó a la perfección.

Se produjo una corriente eléctrica estable sin efectos secundarios en el comportamiento del animal.

Su sistema es sorprendentemente sencillo. Los electrodos se hacen comprimiendo una pasta de nanotubos de carbón mezclados con glucosa de oxidasa para un electrodo, y glucosa y polifenol oxidasa para el otro.

Los electrodos cuentan con un alambre de platino que se encarga de portar el circuito.

Los electrodos se envuelven en un material especial para prevenir que cualquier nanotubo o enzima se escape a otras partes del cuerpo.

Finalmente, todo el paquete se envuelve en una malla que protege a los electrodos del sistema inmunológico del cuerpo, mientras permite el flujo libre de glucosa y oxígeno hacia los electrodos. Todo el paquete se implanta en la rata.

"Es un paso importante para demostrar que los aspectos básicos de la investigación se pueden traducir en un dispositivo práctico", indicó Willner. "Demuestra la viabilidad de hacer paquetes que se pueden implantar".

Optmismo

El implante en la rata fue una prueba positiva del concepto, indicó Cosnier. "Las ratas son tan pequeñas que la producción de energía es insuficiente para impulsar un dispositivo convencional".

El científico planea implantar la célula en una vaca.

"Hay más espacio. Por eso, una célula más grande puede ser implantada, lo cual significaría mayor generación de energía".

Todavía hay un largo camino por recorrer.

"Basado en el actual ritmo de progreso, confío en que en la próxima década habrá desarrollos emocionantes", dijo Willner.

De acuerdo con Cosnier, hay mucho que mejorar aún.

"Hoy en día, estamos generando suficiente energía para alimentar un esfínter urinario o un marcapasos.

Estamos trabajando en un sistema que pueda producir 50 veces la cantidad de energía. De esa manera seremos capaces de suministrar dispositivos más exigentes", indicó el experto.