.

Canan Dagdeviren, 29

Sus implantes piezoeléctricos recogen suficiente energía del latido del corazón para alimentar un marcapasos

El ser humano ha utilizado su propio organismo para generar energía mecánica desde tiempos inmemoriales. Mover los músculos del cuerpo permite realizar muchas actividades cotidianas, ya sea correr, cazar, acarrear pesos y arar los campos. ¿Pero qué hay de otros movimientos musculares internos, como los que provoca el latido incesante del corazón y la respiración? ¿Puede aprovecharse esa energía generada de forma constante e involuntaria?

Una joven física turca llamada Canan Dagdeviren, doctorada en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (EEUU), cree que no sólo es posible sino también muy necesario. Dagdeviren ha creado un dispositivo implantable capaz de recoger, almacenar y transformar la energía del movimiento del corazón, el diafragma y los pulmones en corriente eléctrica. Este pequeño generador interno podría utilizarse, por ejemplo, para alimentar dispositivos biomédicos como un marcapasos.

Su invención, llamada PZT MEH, tiene forma de lámina y puede colocarse directamente sobre la superficie de un órgano. Está compuesta por varios elementos: un sustrato de material biocompatible suave y flexible; un componente piezoeléctrico extremadamente fino, hecho de un material llamado circonato-titanato de plomo (PZT, por sus siglas en inglés), que está impreso sobre el sustrato y generacorriente eléctrica al deformarse; un rectificador, que modifica la corriente obtenida para que pueda ser almacenada; y una microbatería.

La conexión entre el PZT y la batería se realiza mediante cinta conductiva anisotrópica, un tipo de cable muy fino y ligero. Cada vez que el músculo del corazón se contrae rítmicamente -cosa que hace unos 40 millones de veces al año- el componente de PZT se curva, se relaja y produce una pequeña corriente eléctrica gracias a sus propiedades piezoeléctricas. Tras ser rectificada, ésta puede utilizarse o almacenarse en la microbatería.

Dagdeviren explica que una de las grandes ventajas de estos nanogeneradores flexibles frente a otros existentes es precisamente que son suaves, delgados y pueden doblarse y retorcerse. Esto permite una gran adaptabilidad a los movimientos naturales de un órgano "de una manera que no inducen ninguna restricción significativa en esos movimientos". Es decir, no resulta duro o pesado ni obstaculiza el ritmo natural del corazón, como puede suceder con otros dispositivos construidos sobre soportes de silicio.

Tras cuatro años de trabajo junto a ingenieros, informáticos y cirujanos, Dadgeviren y su equipo presentaron su PZT MEH en febrero de 2014 en la revista PNAS. Previamente habían realizado ensayos in vivo y en animales -vacas, ovejas y cerdo- con resultados satisfactorios para la colocación y funcionamiento del sistema en su corazón, pulmón y diafragma.

También realizaron experimentos in vitro para demostrar, por un lado, que el comportamiento del dispositivo era mecánica y eléctricamente estable tras más de 20 millones de ciclos de flexión-relajación en un ambiente húmedo; y por otro, que sería viable agrupar varias láminas para obtener mayores voltajes. Concretamente, observaron que apilando cinco PZT MEH y conectándolos en serie lograban obtener suficiente potencia (1.2 μW/cm2) para hacer funcionar un marcapasos convencional.

Por otro lado, con el fin de garantizar la biocompatibilidad de todas sus partes, el dispositivo de Dadgeviren está encapsulado por una fina capa de poliimida, un polímero que lo aisla de los fluidos del cuerpo y minimiza el riego de fallo eléctrico o respuesta inmune. Adicionalmente, los investigadores realizaron un experimento para comprobar si sobre su estructura podían crecer células musculares con normalidad. Tras nueve días de cultivo, las células se habían extendido por su superficie y más del 96% eran viables.

Dadgeviren acaba de recibir autorización para iniciar un estudio de supervivencia en animales, paso imprescindible antes de pasar a las pruebas en humanos. En él colocarán el PZT MEH en el corazón de un animal y dejarán que haga vida normal durante un año, momento en que comprobarán si el dispositivo sigue siendo funcional. "Más tarde, se incrementará el tiempo de supervivencia para comprobar la durabilidad del dispositivo", añade la joven. Por ahora, Dadgeviren afirma que pueden estar "absolutamente seguros" de que el dispositivo puede operar hasta 6 meses de forma segura en el cuerpo. Para realizar estos cálculos han colaborado también con expertos en simulación de la Universidad de Northwestern (EEUU).

Latidos para marcapasos duraderos

La comercialización de la tecnología diseñada, fabricada y patentada por esta joven podría suponer un salto cualitativo en la calidad de vida de millones de personas que deben someterse cada 7 u 8 años a una operación de reemplazo de la batería de sus marcapasos. Este procedimiento quirúrgico conlleva unimportante riesgo para el paciente y un elevado coste sanitario. Con el PZT, los marcapasos y otros dispositivos biomédicos conectados a él podrían recargar su batería con el latido del corazón de su portador y sus baterías requerirían sustitución con mucha menos frecuencia. Esto repercutiría también en que la terapia con estos aparatos fuera más asequible, algo crucial para el millón de personas que cada año muere en el mundo por falta de acceso a un marcapasos. Individuos como el abuelo de la propia Dagdeviren, fallecido a los 28 años a causa de un fallo cardiaco, que quizá hubiera salvado su vida si hubiese llevado uno implantado.

Desde que conoció este hecho, la niña que entonces era Dagdeviren decidió que antes de cumplir los 28 años habría ayudado de alguna forma a los pacientes que sufrían problemas de corazón. El camino que eligió para lograrlo arrancó desde la Física y la Ciencia de Materiales y concluyó, más de una década después, en el quirófano donde colocó su dispositivo en el corazón de una vaca.

Dagdeviren cree que para toda científica la doble ganadora del Premio Nobel, Marie Curie, es generalmente la figura a admirar. Sin embargo, ella se reconoce "enamorada" de su marido, Pierre Curie, y de su descubrimiento del fenómeno piezoeléctrico. "Es algo mágico y lo descubrió sin haber recibido ninguna educación", recuerda la innovadora.

Durante su etapa en Turquía, Dagdeviren estudió la teoría que subyace a este fenómeno y comenzó a investigar cómo integrar materiales piezoeléctricos en dispositivos biomédicos. Pero sus prototipos eran pesados y rígidos, no podían unirse a los tejidos blandos del cuerpo. Para aprender las técnicas de fabricación necesarias para obtener materiales flexibles y biocompatibles se trasladó al grupo de John Rogers en Illinois (EEUU).

Este año Dagdeviren ha empezado su posdoctorado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (EEUU), donde creará sistemas flexibles recolectores de energía que puedan colocarse en las articulaciones y la piel. Por otro lado, está arrancando junto a un socio una empresa -apoyada por las universidades de Illinois y Arizona (EEUU)- para que sus dispositivos basados en PZT lleguen al mercado y "no sean sólo un paper, sino reales y útiles para la gente".

La asesora independiente de TPG Credit Funds, Paloma Cabello, miembro del jurado de los premios MIT Technology Review Innovadores menores de 35 Turquía, considera que el impacto de la tecnología de Dagdeviren es "amplísimo" y observa en ella todas las cualidades que estos premios quieren reconocer: "pensamiento disruptivo, capacidad tecnológica, impacto global, visión de aproximación al mercado y osadía". - Elena Zafra