Sensores hechos con “seda de araña electrónica” pueden ser impresos en la piel

Científicos han desarrollado un método para fabricar sensores adaptativos y ecológicos que pueden imprimirse directa e imperceptiblemente en una amplia gama de superficies biológicas, como un dedo humano o el delicado pétalo de una flor.

Información facilitada por la Universidad de Cambridge

Sensores impresos en un dedo humano. Crédito: Huang Lab / Cambridge University

El método, desarrollado por investigadores de la Universidad de Cambridge, en el Reino Unido, se inspira en la seda de araña, que puede adaptarse y adherirse de forma eficaz a una gran variedad de superficies. Estas sedas de araña también incorporan tecnología bioelectrónica, de modo que pueden añadirse a la telaraña distintas capacidades sensoriales.

Las fibras arácnidas, al menos 50 veces más pequeñas que un cabello humano, son tan ligeras que los investigadores las imprimieron directamente en la esponjosa cabeza de la semilla de un diente de león —una planta de la familia de las asteráceas— sin colapsar su estructura.

Cuando se imprimen sobre piel humana, los sensores de fibra se amoldan a la dermis y dejan al descubierto las glándulas sudoríparas, por lo que el usuario no detecta su presencia. Las pruebas realizadas con las fibras impresas en un dedo humano sugieren que podrían utilizarse como monitores de salud continuos.

Los sensores de seda electrónica impresos en la piel podrían utilizarse para el seguimiento continuo de la salud.

Este método de aprovechamiento de las estructuras vivas, que genera pocos residuos y emisiones, podría utilizarse en diversos campos, desde la asistencia sanitaria y la realidad virtual hasta los textiles electrónicos y la vigilancia del medio ambiente. Los resultados se publican en la revista Nature Electronics.

Aunque la piel humana es extraordinariamente sensible, aumentarla con sensores electrónicos podría cambiar radicalmente nuestra forma de interactuar con el mundo que nos rodea. Por ejemplo, los sensores impresos directamente sobre la piel podrían utilizarse para el seguimiento continuo de la salud, para comprender las sensaciones cutáneas o para mejorar la sensación de «realidad» en juegos o aplicaciones de realidad virtual.

Pese a que las tecnologías vestibles o poibles con sensores integrados, como los smartwatches, están muy extendidas, estos dispositivos pueden resultar incómodos, molestos e inhibir las sensaciones intrínsecas de la piel.

Una tecnología respetuosa con el medioambiente.

“Si se quiere percibir con precisión cualquier cosa en una superficie biológica como la piel o una hoja, la interfaz entre el dispositivo y la superficie es vital— explica el profesor Yan Shery Huang, del Departamento de Ingeniería de la Universidad de Cambridge, que dirigió la investigación. Y añade—: También queremos contar con una bioelectrónica que sea completamente imperceptible para el usuario, de modo que no interfiera de modo alguno en su forma de interactuar con el mundo, y queremos que sea sostenible y genere pocos residuos”.

Existen múltiples métodos para fabricar sensores portátiles, pero todos tienen inconvenientes. La electrónica flexible, por ejemplo, se imprime normalmente en películas de plástico que no dejan pasar el gas ni la humedad, por lo que sería como envolver la piel en un film transparente.

Otros investigadores han desarrollado recientemente sistemas electrónicos flexibles permeables a los gases, como las pieles artificiales, pero siguen interfiriendo con la sensibilidad normal y se basan en técnicas de fabricación que consumen mucha energía y generan residuos.

Una nueva forma de fabricar bioelectrónica de alto rendimiento.

La impresión en 3D es otra vía potencial para la bioelectrónica, ya que genera menos residuos que otros métodos de producción, pero da lugar a dispositivos más gruesos que pueden interferir con el comportamiento normal. El hilado de fibras electrónicas da lugar a dispositivos imperceptibles para el usuario, pero no tienen un alto grado de sensibilidad o sofisticación, y son difíciles de transferir al objeto en cuestión.

Ahora, el equipo de la Universidad de Cambridge ha desarrollado una nueva forma de fabricar bioelectrónica de alto rendimiento que puede adaptarse a una amplia gama de superficies biológicas, desde la yema de un dedo hasta la esponjosa semilla de un diente de león, imprimiéndola directamente sobre esa superficie. Su técnica se inspira en parte en las arañas, que crean sofisticadas y resistentes estructuras de telaraña adaptadas a su entorno, utilizando un volumen de material mínimo.

Los investigadores crearon su seda de araña bioelectrónica a partir de PEDOT:PSS —un polímero conductor biocompatible—, ácido hialurónico y óxido de polietileno. Las fibras de alto rendimiento se produjeron a partir de una solución a base de agua a temperatura ambiente, lo que permitió a los investigadores controlar la hilabilidad de las fibras. Luego, los investigadores diseñaron un enfoque de hilado orbital que permite que las fibras se adapten a superficies vivas, incluso a microestructuras como las huellas dactilares.

Ofrecen un rendimiento de sensor de alta calidad.

Las pruebas de las fibras bioelectrónicas, en superficies que incluyen dedos humanos y cabezas de semillas de diente de león, mostraron que proporcionaban un rendimiento de sensor de alta calidad y que eran imperceptibles para el huésped.

“Nuestro enfoque de hilado permite que las fibras bioelectrónicas sigan la anatomía de diferentes formas, tanto a micro como a macro escala, sin necesidad de reconocimiento de imágenes— dice Andy Wang, el primer autor del artículo. Y continúa—: Abre una perspectiva completamente diferente en términos de cómo se pueden fabricar los ingenios electrónicos y sensores sostenibles. Es una manera mucho más fácil de producir sensores a gran área”.

La mayoría de los sensores de alta resolución se fabrican en una sala limpia industrial y requieren el uso de productos químicos tóxicos en un proceso de fabricación de múltiples pasos e intensivo en energía. Los sensores desarrollados en la Universidad de Cambridge se pueden fabricar en cualquier lugar y utilizan una fracción mínima de la energía que requieren los sensores tradicionales.

Las nuevas telarañas electrónicas generan menos de un miligramo de desechos.

Las fibras bioelectrónicas, que son reparables, se pueden simplemente lavar cuando han alcanzado el final de su vida útil, y generan menos de un miligramo de desechos: en comparación, una carga típica de lavandería produce entre 600 y 1500 miligramos de desecho de fibras.

”Gracias a nuestra sencilla técnica de fabricación, podemos colocar sensores casi en cualquier sitio y repararlos donde y cuando lo necesiten, sin necesidad de una gran máquina de impresión ni de una planta de fabricación centralizada— afirma Huang. Y añade—: Estos sensores se pueden fabricar a demanda, justo donde se necesitan, y producen un mínimo de residuos y emisiones».

Los investigadores afirman que sus dispositivos podrían utilizarse en aplicaciones que van desde la vigilancia de la salud y la realidad virtual hasta la agricultura de precisión y la vigilancia del medio ambiente. En el futuro, podrían incorporarse otros materiales funcionales a este método de impresión de fibras, con el fin de construir sensores de fibra integrados para aumentar los sistemas vivos con funciones de visualización, computación y conversión de energía.

• Información facilitada por la Universidad de Cambridge -Adaptación: Enrique Coperías / Rexmolón Producciones

• Fuente: Wenyu Wang et al. Sustainable and imperceptible augmentation of living structures with organic bioelectronic fibres. Nature Electronics (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41928-024-01174-4