Un nuevo semiconductor de hidrogel permitirá crear mejores interfaces cerebro-máquina, biosensores y marcapasos
Una parte de los avances futuros que transformarán la humanidad es la capacidad de conectar ordenadores, sensores y otros dispositivos electrónicos directamente con nuestro cerebro y nuestro sistema nervioso. El problema es que el cuerpo rechaza la mayor parte de los materiales conductores.
Para conectar la electrónica con el tejido vivo de forma eficaz, el material ideal debe ser suave, elástico y compatible con el agua, al igual que el propio tejido. Este tipo de material se llama hidrogel. Sin embargo, los semiconductores, que son fundamentales en dispositivos bioelectrónicos como marcapasos, sensores, y sistemas de administración de fármacos, presentan características opuestas: son rígidos, frágiles y no se disuelven en agua. Esto hace difícil utilizarlos en forma de hidrogel, como suele hacerse con otros materiales.
Un estudio publicado en Science por la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago ha encontrado una solución a este problema. Gracias al equipo liderado por el profesor Sihong Wang, han creado un semiconductor en forma de hidrogel, un material blando, flexible y conductor, capaz de transmitir información entre tejido vivo y dispositivos electrónicos. Este nuevo material es un gel azul y acuoso, con una textura similar a la de una gelatina marina.
Este semiconductor-hidrogel combina la suavidad y elasticidad necesarias para integrarse con el tejido vivo. Mide una suavidad de 81 kPa, se puede estirar hasta un 150% y tiene una alta capacidad para mover cargas eléctricas. En términos simples, esto significa que cumple con todos los requisitos para ser una interfaz efectiva entre dispositivos y tejidos.
Yahao Dai, el autor principal del estudio, explica que uno de los principales desafíos en dispositivos bioelectrónicos implantables es lograr que el material tenga propiedades mecánicas similares al tejido humano para una mejor conexión. Así, este nuevo hidrogel, al ser tan compatible, facilita una interacción íntima y fluida con el cuerpo.
Además, aunque el estudio se centra en aplicaciones médicas implantables, como sensores y marcapasos, este hidrogel podría usarse también de forma externa, por ejemplo, en el cuidado de la piel y de heridas, según Dai.
El profesor Wang añade que este hidrogel es muy suave, tiene una hidratación similar a la de los tejidos vivos y su estructura porosa permite el paso de nutrientes y otros compuestos químicos. Estas cualidades lo hacen un material prometedor para la ingeniería de tejidos y la administración de medicamentos.
Una nueva forma de fabricar hidrogeles
Normalmente, los hidrogeles se fabrican disolviendo un material en agua y añadiendo sustancias que ayudan a formar el gel. Sin agua, no se puede crear un hidrogel. Sin embargo, como los semiconductores no se disuelven en agua, el equipo de la Universidad de Chicago se replanteó el proceso y desarrolló un método alternativo llamado «intercambio de disolventes».
En lugar de intentar disolver los semiconductores en agua, lo hicieron en un solvente orgánico que sí es compatible con el agua. Luego, crearon un gel con los semiconductores y los ingredientes del hidrogel. Este primer gel es lo que llaman un organogel. Finalmente, al sumergir este organogel en agua, el solvente orgánico se disuelve y deja que el agua forme el hidrogel.
Este método de intercambio de disolventes es versátil, ya que se puede aplicar a distintos tipos de semiconductores, según explican los investigadores.
Un material con funciones mejoradas
Este nuevo semiconductor-hidrogel, patentado y en proceso de comercialización, no es simplemente una mezcla de un hidrogel y un semiconductor; es un material que funciona simultáneamente como ambos. El profesor Wang explica que este avance permite que el material tenga tanto la capacidad de interactuar con el tejido vivo como las propiedades eléctricas necesarias para los dispositivos.
Algunas de sus mejoras incluyen una menor respuesta inmunitaria del cuerpo y menor inflamación al ser implantado, ya que es blando y compatible con el tejido. Además, al ser tan poroso, mejora la capacidad de biosensado y los efectos de fotomodulación, es decir, la respuesta a la luz en funciones terapéuticas. Por ejemplo, este material podría mejorar la sensibilidad en los marcapasos activados por luz o en apósitos de heridas que se calientan al ser iluminados, acelerando así la cicatrización.
«Es una combinación donde ‘uno más uno es más que dos'», comenta Wang.
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