La siguiente generación de potencia de dispositivo cardíaco: avances en el reemplazo de batería y recargabilidad

Los dispositivos implantables cardíacos (CIED) —incluyendo marcapasos, cardioverter-defibriladores implantables (ICDs) y los sistemas de terapia de resonancia cardíaca (CRT)— han transformado la gestión de arritmias, insuficiencia cardíaca y muerte cardiaca repentina. Durante décadas, el talón de estos dispositivos de salud de Aquiles ha sido su fuente de energía reemplazada rápidamente por quince baterías quirúrgicas de literario que se encuentran en desarrollo.

Este artículo explora las innovaciones más prometedoras en la sustitución y recarga de baterías de dispositivos cardíacos, incluyendo carga inductiva, recolección de energía piezoeléctrica, microbaterías biocompatibles y transferencia de energía ultrasónica, y examina cómo estas tecnologías podrían reducir la morbilidad, extender la longevidad del dispositivo y mejorar los resultados del paciente.

Desafíos actuales con baterías de dispositivo de cardiología convencional

La batería estándar utilizada en marcapasos y DCI es una célula de óxido de óxido de óxido de óxido de óxido de óxido de litio o de óxido de óxido de óxido de óxido de óxido de óxido de óxido de óxido de óxido de óxido de óxido de óxido de óxido de óxido de óxido de óxido de óxido de óxido de óxido de litiodo.

Más allá de la carga financiera, la cirugía repetida aumenta el riesgo de complicaciones. Un estudio de registro amplio encontró que el reemplazo del generador conlleva un riesgo de 4–7% de los principales eventos adversos, incluyendo la infección, el hematoma y el deslodgemento de plomo. Para los pacientes con múltiples comorbilidades, cada operación adicional aumenta la probabilidad de morbilidad. Además, el agotamiento de la batería puede ser impredecible; los pacientes pueden experimentar ansiedad significativa a medida que su dispositivo se acerca su intervalo de reemplazo recomendado.

Además, la huella ambiental de generadores de marcapasos descartados —que contienen metales, electrónica y materiales tóxicos— está creciendo a medida que aumenta el número de dispositivos implantados. Un enfoque más sostenible y recargable beneficiaría tanto a los pacientes como a los sistemas de atención médica.

Tecnologías de carga inalámbricas para dispositivos implanables

Una de las soluciones más investigadas es la transferencia de energía inalámbrica (WPT). Al evitar contactos eléctricos directos o alambres penetrantes, los sistemas WPT pueden recargar la batería interna del dispositivo a través de la piel intacta.

Coupling inductivo

La carga inductiva utiliza un par de bobinas acopladas: una bobina de transmisión externa colocada en la superficie de la piel y una bobina receptora incrustada dentro del dispositivo. La corriente alterna en la bobina externa genera un campo magnético que induce tensión en la bobina de implantes. Esta tecnología ya se utiliza en electrónica de consumo (por ejemplo, pastillas de carga de teléfonos inteligentes) y en algunos implantes médicos, como implantes cocleares y dispositivos de cántímetros.

Los investigadores han demostrado sistemas de carga inductivos transcutáneos para marcapasos que pueden recargar una batería de 20% a una capacidad total en aproximadamente dos horas. El cargador externo puede usarse como un parche o colocarse sobre el sitio del implante durante el sueño. Los retos clave incluyen mantener la alineación entre las bobinas (el movimiento del paciente puede reducir la eficiencia), gestionar la generación de calor para evitar daños en el tejido, y asegurar que el control de la conexión en el tiempo real.

Transferencia de energía ultrasónica

Una alternativa a los campos magnéticos es la transmisión de energía ultrasónica. Las ondas sonoras de alta frecuencia (ambos oídos humanos) pueden viajar a través del tejido y convertirse a energía eléctrica a través de un receptor piezoeléctrico dentro del dispositivo. Los sistemas ultrasónicos pueden ser más compactos que las bobinas inductivas y no sufrir la misma sensibilidad de alineación.

Estudios recientes de animales han mostrado recargo de baterías de marcapasos miniatura con eficiencia aproximada 10-15% — menor que el acoplamiento inductivo pero todavía suficiente para cargar una batería durante largos períodos. El obstáculo principal es que el ultrasonido atenua significativamente a medida que pasa a través de los bolsillos de hueso y aire (por ejemplo, el tejido pulmonar cuidadosamente) por lo que el implante subcutáneo debe ser elegido

Transferencia electromagnética de Mid-Field y Far-Field

Los investigadores de Stanford y otras instituciones han desarrollado sistemas de potencia inalámbrica “medio campo” que utilizan ondas electromagnéticas propagando en los diez a cientos de gama de megahercios. Estas ondas —a diferencia de campos inductivos cercanos— pueden viajar a través de tejido heterogéneo y pueden enfocarse usando una antena externa de rayos escalonados.El receptor interno es una pequeña antena personalizada (un par de milímetros en tamaño) que puede ser integrados

Mientras la tecnología de medio campo sigue siendo en gran medida preclínica, ofrece la posibilidad de bronceado de un “cargador de ropa” que puede recargar automáticamente un implante mientras el paciente duerme o se dedica a actividades diarias, sin necesidad de una alineación precisa.

Aprovechamiento de la energía: Dispositivos de alimentación del cuerpo

En lugar de depender de tecnologías de recarga externa intermitente, de captura de energía, pretenden captar energía de procesos fisiológicos para superar continuamente la batería del dispositivo, o incluso para alimentarla indefinidamente sin batería. Las fuentes más comunes son el movimiento mecánico, los gradientes térmicos y el flujo biofluídico.

La captación de energía piezoeléctrica de la movilidad del cardiaco

Los materiales piezoeléctricos generan una carga eléctrica cuando se somete a estrés mecánico. Para aplicaciones cardíacas, la contracción y relajación periódicas del músculo cardíaco proporciona una fuente de vibración y deformación lista. Integrar una película piezoeléctrica delgada o una estructura de la cañona exterior del dispositivo o adjuntarla al miocardio puede convertir estos pulsos mecánicos en corriente eléctrica.

En un notable estudio de 2019, los ingenieros desarrollaron un dispositivo piezoeléctrico flexible que podría envolverse alrededor de la superficie del corazón, generando la potencia necesaria para ejecutar un marcapasos en condiciones realistas. La densidad de potencia de salida alcanzó aproximadamente 0,5–1 μW/cm2, lo que es suficiente para un marcapasos de baja potencia (consumiendo computamente 5–10 μW).

Nanogeneradores Triboeléctricos (TENGs)

Los generadores tribéricos cosechan energía de la electrificación de contacto — la transferencia de carga que ocurre cuando dos materiales diferentes tocan y separan. En el cuerpo, los latidos del corazón e incluso la respiración pueden conducir tal movimiento relativo. Los TELÉFONOS pueden ser fabricados de silicona biocompatible y metales, y se han demostrado que producen densidades de potencia máxima de decenas de microwatios por centímetro cuadrado.

Cosecha termoeléctrica

El cuerpo humano mantiene una temperatura central de ~37 °C mientras que la superficie de la piel es a menudo 10–15 °C más fría bajo condiciones ambientales normales. Esa diferencia de temperatura puede ser explotada por generadores termoeléctricos (TEG) que convierten el flujo de calor en electricidad a través del efecto Seebeck. Para los implantes subcutáneos, el gradiente de temperatura puede ser sólo unos pocos grados, dando un voltaje extremadamente pequeño.

Arquitecturas de batería recargables para implantes

Incluso con carga inalámbrica o captación de energía, se necesita un elemento de almacenamiento de energía recargable para amortiguar la energía durante períodos de inactividad o alta demanda (por ejemplo, durante la desfibrilación). Las baterías de litio-ion y polímero de litio han sido el estándar para dispositivos médicos recargables (por ejemplo, neuroestimuladores, bombas de insulina), pero su uso en dispositivos cardíacos ha sido limitado por la vida.

Microbaterías biocompatibles

Los avances recientes en las baterías de estado sólido ofrecen una ruta prometedora. Las baterías de litio de estado sólido reemplazan el electrolito líquido inflamable con un electrolito sólido de cerámica o polímero, lo que aumenta la seguridad. Son menos propensos a la fuga, la formación dendrita y la fuga térmica. Además, los diseños de estado sólido pueden ser extremadamente delgados y flexibles, conformándose a las superficies curvas de las baterías de un regulador de velocidades.

Otro formato emergente es la batería de relleno delgado depositada directamente en la placa del circuito del dispositivo mediante la deposición de la capa atómica o desmontaje. Estas baterías son sólo micrometros de espesor y pueden integrarse en la carcasa del dispositivo, ahorrando espacio. En 2022, un equipo de la Universidad de Rice demostró una microbatería de iones de litio flexibles que puede soportar la curvatura repetida y la realización de implante

Supercapacitarios como amortiguadores de energía

Los supercapacitadores (también llamados ultracapaciadores) almacenan energía electrostáticamente y pueden ofrecer breves ráfagas de alta corriente, exactamente lo que se necesita para la desfibrilación (que puede requerir pulsos de hasta 35 J). Al utilizar supercapaciadores en paralelo con una batería más pequeña, la batería puede ser tamaño para el consumo promedio de energía mientras que el supercapacitor maneja las exigencias máximas.

Traducciones clínicas y consideraciones normativas

Para comercializar cualquier nueva tecnología de energía para dispositivos cardíacos se necesitan pruebas rigurosas para la seguridad, fiabilidad y compatibilidad con la electrónica del dispositivo. Los organismos notificados europeos y de la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE.UU. requieren pruebas de banco extensas, estudios de animales y ensayos clínicos.

  • ]Equipos de calefacción: La carga inductiva y ultrasónica debe mantener el aumento de temperatura por debajo de 2°C en la interfaz de tejido para prevenir la lesión térmica. Las bobinas intransigentes generan corrientes de eddy en tejidos, que producen calefacción ohmica; es necesario un diseño cuidadoso de bobinas y limitar la potencia.
  • ]Intromisión electromagnética (EMI): Los cargadores externos no deben interferir con la telemetría o telemetría del dispositivo, ni con otros dispositivos implantados (por ejemplo, neuroestimuladores). La FDA tiene directrices específicas para la prueba de EMI (ISO 14117).
  • ]Biocompatibilidad y hermética: Todos los componentes de batería y carga deben ser encapsulados en un material biocompatible resistente a la corrosión (típicamente titanio o cerámica) para prevenir la fuga de sustancias químicas tóxicas. El implante debe mantener hermética durante años de exposición a fluidos corporales.
  • Adherencia de los pacientes: Los sistemas recargables requieren que los pacientes realicen regularmente sesiones de carga. El fracaso puede llevar a un agotamiento prematuro de la batería. Interfaz de uso y carga automática cuando el paciente duerme puede mejorar el cumplimiento.

Varias empresas ya han iniciado ensayos clínicos. Por ejemplo, Medtronic ha explorado un sistema de carga inductiva para su marcapasos sin plomo MicraTM (aunque no se comercializa ningún producto). Los dispositivos de captura de energía implanables se han probado en estudios de animales a corto plazo, pero no se han completado ensayos humanos para un sistema de estimulación cardiaca primaria. Se calcula que el plazo para un marcapasos totalmente recargable o autopoderado es de 5 años.

Impacto potencial en la práctica clínica y los resultados del paciente

Si estas tecnologías emergentes maduran, las implicaciones para la electrofisiología y la cardiología son sustanciales. Eliminación de cirugías de reemplazo de batería reduciría la tasa de infección (actualmente la causa más alta de morbilidad en las revisiones de dispositivos), menores costos de salud y tiempo libre de funcionamiento. Para los niños con cardiopatía congénita que requieren marcapasos, un dispositivo recargable podría crecer con el paciente: la batería no limitaría la vida útil, y el dispositivo podría ser utilizado durante décadas.

Además, la reducción de tamaño que permite las microbaterías avanzadas podría acelerar la adopción de marcapasos sin plomo, que actualmente están limitados por la capacidad de la batería a una vida media de 10 a 12 años. Un marcapasos sin plomo recargable podría durar teóricamente indefinidamente. Esto sería especialmente valioso para los pacientes mayores y aquellos con anatomía venosa compleja.

La recolección de energía podría eliminar la necesidad de cualquier batería, un marcapasos sin batería sería un avance transformador. En un dispositivo así, toda la energía vendría directamente de procesos fisiológicos o de una fuente externa usable. Un estudio de prueba de acuerdo de 2020 de la Universidad de Michigan demostró un sistema que alimentaba de forma inalámbrica un pequeño implante a través de ultrasonido mientras se recarga una batería externa que se utiliza para crear una cadena de suministro de energía totalmente libre de cierre.

Perspectivas del futuro: Integración y gestión inteligente de energía

El escenario más probable es un sistema híbrido que combina recarga inalámbrica, una pequeña batería recargable y algún grado de captación de energía. El circuito integrado de gestión de energía (PMIC) será crítico: debe cambiar inteligentemente entre fuentes de energía, maximizar la eficiencia y proteger la batería de sobrecarga o descarga profunda. Los avances en microcontroladores de potencia ultra-bajo y algoritmos de firmware permitirán que el dispositivo adapte su programa de carga al nivel del paciente.

Un paciente puede, por ejemplo, usar un chaleco inductivo ligero durante 30 minutos cada noche mientras observa la televisión, que cargaría completamente el dispositivo. Durante el día, una cosechadora piezoeléctrica en el dispositivo puede añadir 10-20% del requisito de energía diario. Si el paciente se olvida de cargar, el sistema podría enviar una notificación a un smartphone y presentar un tono audible del cargador externo. En versiones más avanzadas, el cargador puede activar la almohada

Además, a medida que la inteligencia artificial se integra en dispositivos cardíacos, las demandas de energía pueden aumentar. Es esencial que los algoritmos para la detección de arritmia, el monitoreo remoto y el estimulamiento adaptable requieran más recursos computacionales.Una plataforma de energía sostenible que puede escalar con la complejidad futura del dispositivo es esencial.

Conclusión

La era de la batería de dispositivo cardíaco sellada y no recargable está llegando a su fin. Los avances en la transferencia de energía inalámbrica, la recolección de energía y las microbaterías recargables están convergendo para ofrecer alternativas más seguras, más convenientes y sostenibles. Mientras que los desafíos de ingeniería permanecen —sobre todo en torno a la eficiencia, seguridad, cumplimiento de los pacientes y obstáculos regulatorios— la trayectoria es clara.