Investigadores japoneses han logrado un avance en el desarrollo de biosensores portátiles autónomos con la creación de una tinta enzimática imprimible que simplifica la producción masiva de celdas de combustible enzimáticas (EBFC, por sus siglas en inglés). Esta innovación. Desarrollada por un equipo liderado por el profesor asociado Isao Shitanda de la Universidad de Ciencia de Tokio, podría permitir el desarrollo de dispositivos portátiles que midan indicadores de salud en tiempo real sin necesidad de baterías.

Superando desafíos de fabricación

Los sensores portátiles capaces de monitorear señales fisiológicas como los niveles de lactato y glucosa en el sudor han sido durante mucho tiempo un foco de investigación. Sin embargo. La mayoría de estos dispositivos requieren fuentes de energía externas para funcionar; Las celdas de combustible enzimáticas (EBFC), que utilizan enzimas para convertir fluidos corporales en electricidad, ofrecen una alternativa prometedora. A pesar de su potencial. Las EBFC han enfrentado desafíos significativos en la producción masiva debido a los procesos de fabricación laboriosos e inconsistentes que se requieren.

Los métodos tradicionales implican imprimir una capa de electrodo de carbono, luego aplicar por separado soluciones de enzima y mediador, seguido de un secado; Este proceso de múltiples pasos lleva a variaciones en el rendimiento del dispositivo, dificultando el control de calidad y haciendo impráctica la producción en masa. Para abordar estos problemas. El equipo de investigación desarrolló una ‘tinta enzimática’ basada en agua que permite completar todo el proceso de fabricación en un solo paso.

Formulación innovadora de la tinta

La formulación de la tinta del equipo combina carbono mesoporoso templado con óxido de magnesio, que tiene una gran superficie, con mediadores químicos que facilitan la transferencia de electrones y un nuevo adhesivo basado en agua llamado POLYSOL. Este adhesivo se adhiere fuertemente a las superficies de carbono mientras mantiene un entorno estable para las enzimas. Se añadió celulosa carboximilada para lograr la consistencia adecuada para la impresión en pantalla, y se incluyeron las enzimas específicas necesarias para diferentes biosensores, como la oxidasa de lactato y la deshidrogenasa de glucosa.

Los investigadores imprimieron estas tintas directamente sobre sustratos de papel ligeros utilizando un solo paso de fabricación. Pruebas electroquímicas mostraron que los electrodos impresos superaron a los métodos convencionales de deposición por gota, produciendo corrientes catalíticas más altas y manteniendo un rendimiento estable durante períodos prolongados. En contraste. Los electrodos de deposición por gota suelen degradarse a menos de la mitad de su actividad inicial dentro de minutos a horas, mientras que los electrodos de tinta enzimática mostraron una degradación mínima.

Aplicaciones prácticas y rendimiento

Una celda de combustible completa de lactato/oxígeno ensamblada a partir de estos electrodos impresos alcanzó una salida de potencia máxima de 165 μW/cm con un voltaje de operación de 0,63 V, significativamente más alta que los 96 μW/cm reportados anteriormente. Este representa un avance importante. Ya que es la primera vez que se logra una impresión en pantalla exitosa del lado catódico utilizando tinta enzimática.

El sistema está diseñado para medir las concentraciones de lactato en el sudor, cuantificando con precisión los niveles dentro del rango fisiológico observado en personas sanas (aproximadamente 1-25 mM). Este rango es particularmente relevante para monitorear la intensidad del ejercicio y el estado metabólico. Los investigadores también confirmaron que la potencia generada es suficiente para soportar la transmisión inalámbrica de baja energía por Bluetooth, demostrando la viabilidad del monitoreo inalámbrico autónomo de la concentración de lactato.

Para mostrar la escalabilidad de la solución propuesta, el equipo realizó una demostración práctica de impresión en rollo, logrando una impresión continua en 400 metros de sustrato. Este enfoque podría permitir una producción de muy bajo costo—potencialmente alrededor de 10 yenes por dispositivo—haciendo que la tecnología sea muy atractiva para aplicaciones portátiles desechables o a gran escala.

“Juntos, nuestros hallazgos demuestran que las formulaciones de tinta enzimática basada en agua son un enfoque escalable, reproducible y de alto rendimiento para la fabricación de EBFC, ofreciendo ventajas prácticas para su integración en plataformas de biosensores flexibles, portátiles y autónomos”, dijo el doctor Shitanda.

En el futuro, los investigadores buscan una implementación práctica alrededor del año 2030. Este cronograma refleja la necesidad de optimizar aún más los dispositivos, validar a largo plazo y integrarlos con plataformas portátiles. Aunque aún no se han identificado socios comerciales específicos, el equipo anticipa que las empresas de impresión y fabricantes de dispositivos médicos podrían ser candidatos fuertes para adoptar esta tecnología.

Las implicaciones de este trabajo son amplias. En el deporte, el monitoreo en tiempo real del lactato en el sudor podría proporcionar retroalimentación inmediata sobre la intensidad del ejercicio y la fatiga muscular. En el cuidado de enfermería y de ancianos, el monitoreo continuo del estado metabólico podría permitir la detección temprana de condiciones de salud. Sensores similares también podrían contribuir a sistemas de prevención de golpes de calor al detectar señales metabólicas de advertencia temprana.

“De esta manera, esta tecnología tiene el potencial de contribuir a la realización de una sociedad más segura y saludable al servir como base para sensores que monitorean el estado físico de una persona simplemente al usarlos”, concluyó el doctor Shitanda.