La investigadora del Instituto de Microelectrónica de Barcelona considera fundamental introducir en el mercado estos dispositivos que han sido concebidos para reducir el impacto ecológico
Redacción
¿Y si se sustituyésemos las pilas de botón? La alternativa ya existe: una batería de papel desechable que se alimenta de energía a partir de líquidos como la sangre, la orina o el sudor. Se trata de dispositivos, como un parche o un glucómetro, capaces de detectar los niveles de glucosa, enfermedades como la fibrosis quística y otros procesos como la deshidratación. Hablamos de ello con una de sus artífices, Neus Sabaté, investigadora ICREA en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM) del CSIC que destaca que estas baterías sostenibles, que se insertan en pruebas de diagnóstico, presentan una electrónica muy sencilla porque constituyen a la vez una fuente de energía y un sensor. Sabaté considera fundamental la introducción en el mercado de estos dispositivos, concebidos con el menor número de componentes posible para reducir su impacto ecológico.
–¿Cómo surge la idea de desarrollar una batería de papel desechable?
-Hace unos años trabajábamos con fuentes de energía electroquímicas, con pilas de combustible, y utilizábamos metanol, hidrógeno… básicamente alcoholes, porque son más fáciles de gestionar. Queríamos hacer fuentes de energía pequeñas para móviles y portátiles. Pero la industria de baterías a nivel macro evolucionaba muy rápido ante el reto de alimentar los móviles del futuro. Como perdíamos el tren a nivel industrial, trabajamos con líquidos biológicos para obtener energía de fluidos como, por ejemplo, zumos, ya que la glucosa es un combustible muy bueno, y otros como la sangre, el sudor, las lágrimas… Encontramos la aplicación perfecta al hacerme un test de embarazo. Lo abrimos en el laboratorio y nos dimos cuenta de que llevaba una pila de botón con la batería cargada casi al 99%. Es muy poco sostenible porque se usa una vez y se tira. Así que juntamos ideas: utilizar fluidos y alimentar una batería. Y pensamos: ¿y si hacemos una pila de papel? El test de embarazo es de papel y la orina podía utilizarse para sacar energía con un solo uso y de manera más contenida. Así empezamos a hablar de productos biológicos y de papel, y de ahí pasamos al desarrollo de batería sostenibles de papel que se alimentan con líquidos como el sudor o la orina.
–¿Y cómo funciona?
-Consiste en un trozo de papel con dos electrodos que están durmiendo. Cuando la orina llega a la batería se despierta porque el líquido hace de electrolito y empiezan a generar energía durante los minutos que se necesiten. Por ejemplo, un test de embarazo necesita tan solo tres minutos. Entonces para qué vamos a utilizar una pila de botón que dura semanas si solamente se necesita ese tiempo.
–¿Cuál era vuestro objetivo con el desarrollo de estos dispositivos?
-En primer lugar, nuestra meta era acceder a la industria del diagnóstico, donde ya existían estos test digitales con tecnologías muy convencionales, de un solo uso y que contaminan bastante. Investigamos más allá y nos encontramos con que la industria del diagnóstico era poco receptiva a aceptar aplicaciones sostenibles. Así que decidimos fabricar nosotros mismos los test de diagnóstico del futuro en nuestro laboratorio. Surgió una nueva línea de investigación y ya estamos fabricando test que no son solo alimentados por estas baterías, sino que también pueden analizar las características de los fluidos con los que se alimentan.
–En la actualidad, parece que resulta clave frenar el consumo frenético de componentes electrónicos.
-En el escenario futuro del Internet de las cosas se prevé que haya muchísimos sensores informándonos de muchos aspectos (medioambientales, de logística, seguridad, diagnóstico…). Un ejemplo muy claro son los relojes inteligentes. Nos dicen por dónde corremos, a qué pulsaciones, cómo está nuestro oxígeno… Esto se prevé que vaya a más. Como científica, creo que no podemos hacerlo todo con la electrónica convencional, con tantos componentes y sin pensar en su ciclo de vida. Hay toneladas de electrónica de los móviles, que renovamos con más asiduidad. El siguiente generador de basura son los ordenadores. Por ello, empezamos a pensar en sistemas de seguridad como un sensor de incendios, desarrollado recientemente y que duerme sin gastar energía. Se despierta con energía ambiental cuando hay un aumento de temperatura. En diagnóstico, por ejemplo, no utilizamos un procesador, una placa o una batería de botón. Hay que concebirlo con un número de componentes mínimo, con materiales muy benignos, y prever qué va a pasar cuando lo dejemos de usar. Así evitaremos esa ola de basura electrónica que vendrá después de los plásticos en el océano.
–También habéis desarrollado un parche que, a través del sudor, detecta fibrosis quística o deshidratación. ¿En qué consiste?
-Sí, es uno de los proyectos más avanzados. Es un parche que tiene una batería de papel y un circuito electrónico muy sencillo. Se coloca encima del brazo, absorbe el sudor y utiliza la energía generada que va a la batería. Es capaz de medir la conductividad, es decir, el grado de concentración de sales del sudor. Actualmente, se está probando en hospitales con pacientes pediátricos y está funcionando muy bien. Nos dice si la persona está afectada por la fibrosis quística o no, porque los pacientes con esta enfermedad tienen un contenido de cloro muy alto, es decir, su sudor es más salado. Posee un pequeño indicador que pone a funcionar la pila cuando recolecta suficiente sudor. Después se desecha y no hay ningún impacto ecológico. La electrónica es muy sencilla porque la misma batería es fuente de energía y sensor a la vez. Así se reducen los componentes a uno solo. Es muy fácil y barato de fabricar, no hacen falta grandes temperaturas ni grandes instalaciones. Una vez se usa, después de treinta minutos, se puede tirar.
–Medir la glucosa es otra de vuestras apuestas, ¿cómo funciona el dispositivo para hacerlo?
-Es un glucómetro minimalista, todavía un prototipo de laboratorio. Está fabricado con materiales no tóxicos, que pueden desecharse después tras un solo uso. Hemos deconstruido un poco la electrónica porque se trata de hacerlo con el mínimo número de componentes. Así, hemos obtenido un aparato muy sencillo con muy poca electrónica, incluso con componentes que se podrían imprimir. Ponemos una gota de sangre en la pila y extrae energía de la glucosa, oxidándola. Es un test semicuantitativo porque indica los niveles de glucosa en sangre. Cuánta más glucosa tiene el paciente, más indicadores se encienden. Va muy bien, por ejemplo, para detectar diabetes gestacional, porque no hay un aparato; a diferencia de un diabético crónico que lo utiliza tres veces al día. Es decir, resulta muy sostenible para hacer una medida puntual.
–Estos dispositivos incluso podrían utilizarse para la detección de la COVID-19, ¿son similares a un test de antígenos?
-Un test de antígenos se parece a un test de embarazo porque hay una detección con anticuerpos. Hemos trabajado en ello en colaboración con el grupo de investigación del IMB y nuestra spin-off, Fuelium, fundada en 2015, que comercializa las baterías de papel. Desarrollamos un casete que permite calentar una muestra de unos reactivos durante media hora, y hacer amplificaciones isotermas de ARN y ADN con la energía generada en la batería sostenible. Esa plataforma se podrá usar para hacer test moleculares portátiles. Ahora mismo estamos intentando contactar con empresas del diagnóstico para acelerar el paso al mercado.
–¿De qué manera se reduce el impacto ecológico con el uso de este tipo de energía?
-El impacto ecológico se produce básicamente por dos vías. La primera es deshacernos de pilas convencionales como las de botón, con acero y electrolitos corrosivos, que después hay que llevar a plantas de reciclaje, donde hay que separar cada elemento. Nosotros podemos generar energía con materiales más benignos. Usamos carbono, metales no tóxicos, y reemplazamos los electrolitos corrosivos por los mismos fluidos (orina, sangre o sudor) que queremos analizar. Evidentemente los niveles de energía que vamos a obtener con estas baterías no son los comparables a una tecnología tan madura como es la pila de botón. Pero es más que suficiente para aplicaciones de pequeño formato y de un solo uso. Por otra parte, a un nivel de diseño de dispositivo, lo que hacemos es aunar dos elementos al convertir la fuente de energía en un sensor. Así ahorramos componentes que después van a ir a la basura.
–El líquido biológico es capaz de generar energía, pero ¿la cantidad necesaria depende de la persona?
-Sí. De hecho, es así. Generamos energía de la glucosa, presente en todos los fluidos de nuestro cuerpo, con la oxidación de sus moléculas. Cuando empecé el proyecto esto ya era conocido, los glucómetros funcionan así: se aplica un voltaje y el electrodo oxida la glucosa y saca dos de los 24 electrones que tiene. Nosotros usamos la misma estrategia, pero le acoplamos un cátodo -un electrodo- como si fuera una batería. Esto genera energía porque hay un voltaje y cuanta más glucosa tiene una persona, más energía se genera. Por ello, este tipo de fuentes de energías son perfectas para ser sensores porque tu sangre y la mía no van a dar la misma energía y, por tanto, nos aporta una información sobre nuestro contenido en glucosa que se puede utilizar como sensor. Igualmente pasa con el sudor. Tu sudor y el mío van a ser distintos porque es muy personal. Así vimos que era una estrategia muy buena utilizar las fuentes de energía alimentadas con fluidos biológicos como sensores.
–Cuentas con un equipo multidisciplinar, ¿por qué consideras importante impregnarles de ‘ADN emprendedor’?
-Al tratarse de dispositivos completos, su desarrollo requiere de un equipo de gente muy variada. Esto es muy enriquecedor y también muy divertido. La oxidación de la glucosa y el manejo de la energía requiere de bioquímicos, electroquímicos e ingenieras químicas. Después hay que hacer un circuito que maneje todas esas señales y, para ello, contamos con ingenieras electrónicas. Como va a ser un dispositivo que va a diagnosticar, tenemos a ingenieras biomédicas. Los fluidos tienen que viajar por el papel y hay que hacer estructuras microfluídicas y tener en cuenta la capiralidad, que es un proceso físico, por tanto, también tenemos físicos en el equipo. Además, no nos hemos conformado con producir solamente ciencia a nivel de aplicaciones. Si realmente queremos cambiar la manera en la que se están haciendo estos dispositivos, lo mejor es acercarlos a la sociedad. Muchas veces al hacer investigación nos quedamos en niveles de madurez que todavía no convencen a las empresas. En este caso, es mejor acompañar la salida de estos dispositivos al mercado mediante la creación de una spin-off y, por qué no, generar nuevas profesiones. Es algo que he querido transmitir a los miembros de mi equipo, algunos de ellos se han sentido muy interpelados y vamos a fundar dentro de poco la siguiente spin-off. Aunque no es una llamada que ha de tener cualquier científico. También se puede transferir a la sociedad a través de contratos con empresas o generando patentes. No todos los científicos y las científicas tienen que acabar en centros de investigación, hay muchos que podrían generar sus propias empresas.
–En 2020, recibiste el Premio de Física Real Sociedad Española de Física, en la categoría de Física, Innovación y Tecnología. ¿Qué supone este reconocimiento?
-Me hizo mucha ilusión. Cuando estudié Física derivé mi etapa final más hacia la electrónica y la física de semiconductores, que era un poco como la variante pobre. Los grandes físicos estudian el origen del universo, la teoría de cuerdas o hacen procesos en sincrotrones, física de partículas… Fue un halago que se reconociese mi carrera y mi aportación a través de esta disciplina. Me pareció un reconocimiento muy especial.
–Aunque recibir este reconocimiento no fue fácil…
-Siempre he sido una persona muy curiosa. Escogí Física porque después pensaba que haría Matemáticas, Filosofía y Biología. En la carrera obtuve notas entre 6 y 7, pero me di cuenta de que el pensamiento abstracto me costaba más. En ese momento, me dijeron que no eran las notas adecuadas para hacer un doctorado y me invitaron a dedicarme a otra cosa, como a ser programadora o profesora de instituto. Me pensé lo de ser profesora porque me gusta mucho hablar y enseñar. Sin embargo, por el camino se cruzó el departamento de electrónica, que ofrecía becas para estudiantes no tan brillantes. Al final, se ha demostrado que ese cribado rápido no corresponde a la realidad. Puedes no tener un diez en física, pero puedes ser una persona que contribuya significativamente a la ciencia desde otra perspectiva.
–¿Qué papel crees que tiene la ciencia hoy en día?
-Lo hemos visto con la pandemia. Hemos tenido un problema y un reto que necesitaba soluciones rápidas y todos han mirado a la comunidad científica. España no ha tenido vacuna porque no ha habido inversión. Por ser españoles no somos más tontos, somos más pobres. Con la mitad del presupuesto de otros países hacemos el triple porque estamos acostumbrados a aprovechar muchísimo los recursos del sector público. Que la gente sea consciente de que el dinero en ciencia se aprovecha muy bien. Si queremos crear la industria y las profesiones del futuro hay que invertir en ciencia y tecnología. Me gusta mucho poner mi ejemplo, porque desde un proyecto con un grado de madurez de tecnología muy bajo, vamos a crear una spin-off. Es posible hacer esa transferencia, hacer evolucionar la ciencia y generar puestos de trabajo. Aunque no pasa en cuatro años pasa en diez, quince, veinte… Los que apuesten hoy, seguramente verán los frutos más adelante.
Fuente: Irene Lapuerta/ Proyecto Científicas y Cambio Global. Programación de la Red de Cultura Científica del CSIC.
