Las células solares con forma de esponja podrían formar la base de marcapasos menos invasivos o dispositivos médicos similares
Los agujeros ayudan a que las esponjas y los muffins ingleses sean útiles (y, en el caso de estos últimos, deliciosos). Sin agujeros, no serían lo suficientemente flexibles para doblarse en pequeñas grietas o para absorber la cantidad perfecta de mermelada y mantequilla.
En un nuevo estudio, científicos de la Universidad de Chicago descubrieron que los agujeros también pueden mejorar la tecnología, incluidos los dispositivos médicos. Publicado en materiales naturales, el artículo describe una forma completamente nueva de hacer una celda solar: grabando agujeros en la capa superior para hacerla porosa. La innovación podría formar la base de un marcapasos menos invasivo o dispositivos médicos similares. Podría combinarse con una pequeña fuente de luz para reducir el tamaño de las voluminosas baterías que se implantan actualmente con los marcapasos actuales.
Esperamos que esto abra muchas posibilidades para nuevas mejoras en esta área».
Aleksander Prominski, primer autor del artículo
Trabajo ligero
Prominski es miembro del laboratorio del químico Bozhi Tian de la Universidad de Chicago, que se especializa en crear formas de conectar tejidos biológicos y materiales artificiales; como cables para modular señales cerebrales y superficies para implantes médicos.
Un área que les interesa es fabricar dispositivos que puedan funcionar con luz. Conocemos mejor esta tecnología en forma de células solares, pero también pueden utilizar cualquier fuente de luz, incluidas las artificiales. Cuando operan en el cuerpo, estos dispositivos se conocen como células fotoelectroquímicas y pueden alimentarse desde una diminuta fibra óptica implantada en el cuerpo.
Normalmente, las células solares requieren dos capas, que pueden obtenerse combinando silicio con otro material como el oro, o mezclando diferentes tipos de átomos en cada capa de silicio.
Pero los científicos de UChicago del laboratorio Tian descubrieron que podían crear una célula solar a partir de silicio puro si hacían una capa porosa, como una esponja.
La célula blanda y flexible resultante puede medir menos de cinco micrones de diámetro, que es aproximadamente del tamaño de un solo glóbulo rojo. Luego se puede asociar con una fibra óptica, que se puede hacer tan delgada como un cabello humano; reduciendo drásticamente el tamaño total de un implante, haciéndolo más amigable para el cuerpo y menos propenso a causar efectos secundarios.
La celda porosa tiene múltiples ventajas sobre los métodos tradicionales de fabricación de celdas solares, ya que agiliza el proceso de producción y mantiene la eficiencia del producto final.
«Puedes hacerlos en minutos y el proceso no requiere altas temperaturas ni gases tóxicos», dijo Prominski.
El coautor del estudio, Jiuyun Shi, agregó: «Cuando los medimos, vimos que la fotocorriente era realmente alta, dos órdenes de magnitud más alta que nuestros diseños anteriores».
Luego, para aumentar la capacidad del material para estimular el corazón o las células nerviosas, lo tratan con plasma de oxígeno para oxidar la capa superficial. Este paso es contrario a la intuición para los químicos porque el óxido de silicio funciona con mayor frecuencia como un aislante, y «no desea que el efecto fotoelectroquímico se vea obstaculizado por los materiales aislantes», dijo Tian. En este caso, sin embargo, la oxidación en realidad ayuda al hacer que el material de silicio sea hidrófilo; atraído por el agua-; que amplifica la señal a los tejidos biológicos. «Finalmente, al agregar una capa de óxido de metal de unos pocos átomos de espesor, puede mejorar aún más las propiedades del dispositivo», dijo Pengju Li, otro coautor del estudio.
Dado que todos los componentes se pueden hacer biodegradables, los científicos pueden imaginar la tecnología utilizada para procedimientos cardíacos a corto plazo. En lugar de una segunda cirugía para la extracción, las partes se degradarían naturalmente después de unos meses. El enfoque innovador también podría ser particularmente útil para un procedimiento llamado terapia de resincronización cardíaca que busca corregir arritmias en las que las cavidades cardíacas derecha e izquierda no laten a tiempo, ya que los dispositivos podrían colocarse en múltiples áreas del corazón para mejorar la cobertura. .
Prominski también está entusiasmado con las posibles aplicaciones de la estimulación nerviosa. «Se puede imaginar implantar tales dispositivos en personas con degeneración nerviosa crónica en las muñecas o las manos, por ejemplo, para aliviar el dolor», dijo.
Esta nueva forma de fabricar células solares también podría ser interesante para la energía sostenible u otras aplicaciones no médicas. Debido a que estas células solares están diseñadas para funcionar mejor en un ambiente líquido, los científicos de UChicago creen que podrían usarse en aplicaciones como hojas artificiales y combustibles solares.
El equipo de Tian está trabajando con investigadores de cardiología de la Universidad Médica de Chicago para desarrollar aún más la tecnología para su posible uso en humanos. También están colaborando con el UChicago Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation para comercializar el descubrimiento.
Jiping Yue, Yiliang Lin, Jihun Park y Menahem Rotenberg también fueron coautores del estudio.
La investigación utilizó los recursos de la Instalación de Nanofabricación Pritzker en la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular; la Red de Innovación de Illinois; el Centro Experimental de Caracterización Atómica y a Nanoescala de la Universidad de Northwestern y el Centro de Ingeniería y Ciencia de Materiales de Northwestern; y el Centro de Investigación de Ciencia y Tecnología de Materiales de la Universidad de Chicago.
La fuente:
Referencia de la revista:
Prominsky, A., et al. (2022) Las heterouniones basadas en la porosidad permiten la modulación optoelectrónica de tejidos sin plomo. Materiales naturales. doi.org/10.1038/s41563-022-01249-7.
