Bioelectrodos flexibles y duraderos: el futuro de los wearables en la salud

El uso de la electrónica portátil que monitoriza continuamente las bioseñales ha transformado las industrias de la salud y el fitness. Estos dispositivos son cada vez más comunes y se proyecta que alcancen una valoración de mercado de aproximadamente 572.060 millones de USD para 2033. Con este rápido crecimiento, existe una demanda creciente de bioelectrodos de alta calidad capaces de registrar con precisión las bioseñales durante períodos prolongados. Sin embargo, muchos de los materiales que se utilizan actualmente para los bioelectrodos, como los metales, los polímeros conductores y los hidrogeles, tienen limitaciones. A menudo carecen de la flexibilidad para estirar la piel sin romperse y tienen una baja permeabilidad a la humedad, lo que provoca la acumulación de sudor y molestias.

Para abordar estas limitaciones, en un estudio publicado en la revista NPG Asia Materials el 20 de junio de 2024, un equipo de investigación dirigido por el profesor asistente Tatsuhiro Horii y el profesor asociado Toshinori Fujie del Instituto Tecnológico de Tokio (Tokyo Tech) ha desarrollado un material de bioelectrodo que es estirable y permeable a la humedad, y se ajusta estrechamente a la piel. Este material innovador está compuesto por capas de redes fibrosas conductoras formadas por nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) en una nanosheet de poli(estireno-b-butadieno-b-estireno) (SBS) estirable. La nanosheet se ajusta firmemente a la piel, lo que permite mediciones precisas de las bioseñales, mientras que las fibras de nanotubos de carbono mantienen la estirabilidad y la permeabilidad a la humedad del material.

“Se requieren electrodos autoportantes que sean estirables, permeables a la humedad y se adapten a las protuberancias de la superficie de la piel para permitir la deformación natural de la piel sin restringir los movimientos del cuerpo”, dice Horii.

Los investigadores aplicaron SWCNT como dispersiones acuosas sobre nanosheets de SBS, creando múltiples capas que alcanzan un grosor de solo 431 nm. Cada recubrimiento de SWCNT aumentó la densidad y el grosor de las fibras, modificando las características del bioelectrodo. Si bien la adición de más capas de SWCNT aumentó la rigidez de la nanosheet (de un módulo de elasticidad inicial de 48,5 MPa a 60,8 MPa para una sola capa y 104,2 MPa para cinco capas), el bioelectrodo mantuvo una flexibilidad impresionante. Las nanosheets de SBS prístinas y las que tenían una o tres capas de SWCNT (SWCNT 3rd-SBS) se estiraban elásticamente en un 380% de su longitud original antes de la deformación permanente. Esta flexibilidad supera a la de los electrodos metálicos, como el oro, que tienen módulos de Young en el rango de varios cientos de GPa y solo pueden estirarse menos del 30% de su longitud original antes de romperse.

Otro requisito crucial para los bioelectrodos es una alta permeabilidad al vapor de agua para evitar la acumulación de sudor durante el ejercicio. La adición de SWCNT es beneficiosa, ya que su estructura de red fibrosa mejora la transpirabilidad en comparación con las películas continuas. En experimentos para medir la tasa de transmisión de vapor de agua (WVTR), los investigadores encontraron que SWCNT 3rd-SBS exhibía un WVTR de 28.316 g m^-2 (2 h)^-1, que es el doble que el de la piel normal.

El material del bioelectrodo también es muy resistente para un uso prolongado. Para probar la durabilidad del material, los investigadores sumergieron los bioelectrodos en sudor artificial y los sometieron a flexiones repetidas, midiendo el cambio en la resistencia. En estas pruebas, encontraron que la resistencia aumentó de manera insignificante, solo 1,1 veces en el sudor y 1,3 veces en 300 ciclos de flexión. Además, las nanosheets SWCNT 3rd-SBS mostraron poca o ninguna desprendimiento después de frotarse diez veces, lo que indica su idoneidad para un uso prolongado.

Para evaluar su rendimiento en el mundo real, los investigadores compararon una nanosheet de SBS con tres capas de SWCNT con materiales de bioelectrodo disponibles en el mercado, como los electrodos de gel de Ag/AgCl. Los bioelectrodos se colocaron en el antebrazo y se tomaron medidas de electromiografía de superficie (sEMG) durante los movimientos de agarre. En este experimento, el rendimiento de la nanosheet SWCNT-SBS fue comparable al de los electrodos de gel de Ag/AgCl comerciales, logrando relaciones señal/ruido similares de 24,6 dB y 33,3 dB, respectivamente.

“Obtuvimos bioelectrodos conformables a la piel con altas permeabilidades al vapor de agua, que mostraron un rendimiento comparable en las mediciones de sEMG a las de los electrodos convencionales”, concluye Fujie, destacando las prometedoras capacidades del material para los dispositivos portátiles de atención médica.

Acerca del Instituto Tecnológico de Tokio

Tokyo Tech se encuentra a la vanguardia de la investigación y la educación superior como la principal universidad de ciencia y tecnología en Japón. Los investigadores de Tokyo Tech sobresalen en campos que van desde la ciencia de los materiales hasta la biología, la informática y la física. Fundada en 1881, Tokyo Tech alberga a más de 10.000 estudiantes de pregrado y posgrado por año, que se convierten en líderes científicos y algunos de los ingenieros más solicitados en la industria. Embracing the Japanese philosophy of “monotsukuri,” meaning “technical ingenuity and innovation,” the Tokyo Tech community strives to contribute to society through high-impact research.