Introducción

El estimulación cardiaca ha salvado millones de vidas desde que el primer marcapasos implantable fue introducido a finales de los años 50. Durante décadas, estos dispositivos han evolucionado desde unidades externas voluminosas a sistemas implantables sofisticados que regulan el ritmo cardíaco con precisión. Uno de los desafíos más persistentes en el diseño de marcapasos ha sido la gestión de energía. La batería que impulsa el dispositivo debe ser pequeña, segura, confiable y duradera, todo mientras que opera dentro del cuerpo humano bajo las nuevas tecnologías de avanzadas.

El estándar actual: Baterías de litio

Durante más de cuatro décadas, las baterías de litio-iodo han servido como estándar de oro para marcapasos implantables. Estas células ofrecen un equilibrio favorable de densidad de energía, estabilidad de tensión y larga vida útil. Una batería típica de marcapasos de litio-iodo proporciona aproximadamente 1 a 2 horas de capacidad de amperio, lo que se traduce en cinco a quince años de operación de dispositivos dependiendo de la demanda de estimulación, características de dispositivo y factores de paciente como la frecuencia cardíaca y dependencia.

Las baterías de litio utilizadas en marcapasos no son las mismas que las células de iones de litio encontradas en la electrónica de consumo. Las baterías de paceadores están diseñadas para tasas de descarga ultra-bajo, fiabilidad extrema y sellado hermético para evitar fugas de materiales corrosivos. La catodio en una célula de yodo de litio es una capa sólida de yodo mezclado con un polímero, mientras que el anótido es un electrodotido

A pesar de su fiabilidad, las baterías de litio-iodo tienen limitaciones. Su densidad energética se ve limitada por la química del estado sólido, y la resistencia interna aumenta con el tiempo a medida que la capa de electrolitos se espese. Los pacientes que dependen de marcapasos pueden requerir reemplazo de dispositivos cada cinco a ocho años, cada procedimiento que conlleva riesgos de infección, sangrado y complicaciones mecánicas. Estas limitaciones han motivado la investigación intensiva en fuentes de potencia de próxima generación que pueden extender la cirugía de repetición de dispositivos y reducir la carga de repetición.

Tecnologías de batería de próxima generación

Los investigadores están llevando a cabo varias farmacias y arquitecturas prometedoras de batería que podrían superar significativamente las células actuales de litio-iodo. Estas incluyen baterías de estado sólido, variantes de iones de litio avanzados y supercapacitadores biocompatibles.

Baterías de Estado sólido

Las baterías de estado sólido reemplazan el electrolito líquido o gel encontrado en las células convencionales con un conductor iónico sólido. Este diseño ofrece varias ventajas para dispositivos médicos implantables. Los electrolitos sólidos no son inflamables y químicamente estables, eliminando el riesgo de fuga o fuga térmica. También permiten el uso de anodos de metal de litio de alta capacidad, que pueden más que duplicar la densidad de energía en comparación con la química de litio-mio.

Los recientes avances en materiales electrolíticos sólidos, como los gáneres de litio (por ejemplo, LLZO) y los vasos basados en sulfuros, han acercado las baterías de marcapasos de estado sólido a la viabilidad comercial. Estos materiales exhiben una alta conductividad iónica a temperatura corporal y permanecen estables sobre miles de ciclos de carga. Empresas como QuantumScape e Ilika demostrarían treinta células de duración de sólidos que conservan más de 90 por ciento.

La miniaturización de las baterías de estado sólido es otro área activa de investigación. Las baterías de estado sólido de relleno de espesor, fabricadas con deposición de capas de esputadora o atómica, se pueden hacer tan pequeñas como unos pocos milímetros cuadrados mientras que todavía proporcionan suficiente energía para el Pacífico. Estas microbaterías se pueden integrar directamente en la tabla de circuitos de marcapasos, reduciendo el volumen de dispositivos y permitiendo sistemas de estimulación multielectrodas más complejos.

Variantes de litio avanzado-Ion

Aunque las células de iones de litio estándar no se utilizan comúnmente en marcapasos debido a preocupaciones de seguridad y vida limitada en ciclos a bajas tasas de descarga, nuevos materiales de catodio y ánodo están cambiando ese cálculo. Las cátodos de fosfato de hierro de litio (LFP) ofrecen estabilidad térmica excepcional y un perfil de tensión plana, lo que los hace atractivos para aplicaciones implantables.

Otra variante es la química del monofluoruro de carbono de litio (Li/CFx), que combina alta densidad de energía con una curva de descarga gradual similar al de litio-iodo. Las células Li/CFx pueden almacenar hasta 800 watthoras por kilogramo, más del doble que las baterías convencionales de litio-iodo.Los investigadores han demostrado baterías de marcapasos de prototipo utilizando la química Li/CFx que mantienen células de tensión estables más de salida

Supercapacidades biocompatibles

Los supercapaciadores almacenan energía electrostáticamente en lugar de química, permitiéndoles ofrecer alta potencia en cortos estallidos y soportar millones de ciclos de descarga sin degradación. Para los marcapasos, los supercapaciadores pueden servir como complemento de las baterías, manejando las exigencias de alto rendimiento de los pulsos mientras que la batería suministra energía promedio durante períodos más largos.

Los investigadores de la Universidad de California San Diego han desarrollado un supercapacitor flexible hecho de materiales biocompatibles que se pueden implantar junto a un marcapasos. El dispositivo cobra inalámbricamente de un transmisor externo y puede ofrecer pulsos de estimulación durante varios minutos sin batería. Esta tecnología sigue en fase de investigación, pero apunta hacia un futuro en el que los marcapasos operan durante largos períodos sin baterías primarias.

Aprovechamiento de la energía: Dispositivos de alimentación del cuerpo

La recolección de energía capta la energía ambiente del cuerpo o del medio ambiente y la convierte en energía eléctrica. Para los marcapasos, las técnicas de cosecha tienen como objetivo reducir o eliminar la dependencia de las baterías primarias, haciendo autosostenibles los dispositivos y eliminando la necesidad de cirugías de reemplazo. El cuerpo humano ofrece varias fuentes de energía: movimiento mecánico (heartbeat, flujo sanguíneo, movimiento muscular), gradientes térmicos (calor corporal relativo a la temperatura ambiente), y energía química (transductora).

Cosecha de energía piezoeléctrica

Los materiales piezoeléctricos generan una carga eléctrica cuando se desprendan mecánicamente. Al colocar un cantiler piezoeléctrico o una membrana a la pared del corazón o un vaso sanguíneo importante, los investigadores pueden convertir las contracciones rítmicas del ciclo cardíaco en energía eléctrica usable. La producción de energía típica de un cosechador piezoeléctrico cardíaco varía de 1 a 20 microvatios, lo que es suficiente para alimentar un marcapasos moderno que operando a un ciclo de baja.

Un estudio histórico publicado en 2023 demostró un dispositivo piezoeléctrico flexible basado en titanato zirconato de plomo (PZT) nanofibras incrustadas en una matriz de polímero. Cuando se implantó en la superficie de un corazón porcino, el dispositivo generó una potencia promedio de 8.4 microvatios, lo suficiente para mantener un marcapasos funcionando continuamente.

La cosecha piezoeléctrica se enfrenta a varios desafíos. La producción de energía depende fuertemente del acoplamiento mecánico entre la cosechadora y el tejido en movimiento, y cualquier degradación en la adherencia puede reducir la eficiencia. Además, la cosechadora debe ser encapsulada para prevenir el rechazo inmunitario mientras que todavía permite la deflexión mecánica. A pesar de estos obstáculos, se espera que los ensayos clínicos de marcapasos piezoeléctricos comiencen dentro de cinco años.

Aprovechamiento de la energía térmica

Los generadores termoeléctricos (TEG) convierten el flujo de calor en electricidad utilizando el efecto Seebeck. En el cuerpo humano existe una pequeña diferencia de temperatura entre el núcleo (37 °C) y la superficie de la piel (normalmente 28–34 °C dependiendo de las condiciones ambientales). Al colocar un TEG en contacto térmico con un órgano interno cálido y una capa subcutánea más fría, los investigadores pueden cosechar unas microwatts de poder continuamente.

Las recientes mejoras en materiales termoeléctricos, en particular las aleaciones y skutterudites basadas en bismuth, han aumentado la eficiencia de la cosecha de calor corporal. Un equipo del Instituto Fraunhofer para circuitos integrados desarrolló una medición de TEG miniaturizada de sólo 4 mm por 4 mm que produce 3,5 microvatios a una diferencia de temperatura de 2 °C.

La principal limitación de la cosecha termoeléctrica es su dependencia de la temperatura ambiente. En ambientes cálidos donde el gradiente de temperatura de la piel a la base se estrecha, gotas de potencia. Los sistemas TEG modernos abordan esto incorporando amortiguadores de almacenamiento de carga que acumulan energía durante condiciones favorables y la liberan cuando el gradiente es más pequeño. Para los pacientes que viven en climas tropicales, la cosecha térmica no puede proporcionar suficiente energía, pero todavía puede extender la vida de la batería significativamente.

Celdas de biocombustibles

Las células de biocombustibles generan electricidad oxidando combustibles bioquímicos como la glucosa usando enzimas o microbios como catalizadores.El cuerpo contiene un suministro constante de glucosa en el torrente sanguíneo, lo que lo convierte en una fuente de combustible atractiva para los dispositivos implantables. Las células de biocombustible de glucosa enzimática (GBFC) usan glucosa oxidasa o enzimas similares en el ánodo para oxidado.

Los avances recientes en la inmovilización de enzimas y la nanoestructuración de electrodos han mejorado la densidad de potencia y la longevidad de los GBFC. Investigadores de la Universidad de Utah informaron de una célula de biocombustibles de glucosa que produjo 44 microvatios por centímetro cuadrado de área de electrodo, con una vida media de más de 30 días bajo operación continua.

Sin embargo, las células biocombustibles se enfrentan a obstáculos significativos antes de que puedan utilizarse en pacientes. Las enzimas se degradan con el tiempo, lo que requiere estrategias periódicas de sustitución o encapsulación que mantengan la actividad. Los electrodos deben ser altamente selectivos para la glucosa para evitar interferencias de otros componentes de sangre, y el dispositivo no debe desencadenar una respuesta corporal extranjera que lo encapsula en tejido fibroso.

Nanogeneradores tribólicos

Los nanogeneradores triboeléctricos (TENG) producen electricidad a través del efecto de la electrificación de contacto, donde dos materiales disimilares intercambian carga cuando se frotan juntos y luego se separan. En el cuerpo, los TENG pueden activarse mediante movimiento cardíaco, respiración o flujo sanguíneo. La ventaja de los TENG es su capacidad de generar voltajes relativamente altos (tensos a cientos de voltios) de pequeños desplazamientos mecánicos, que pueden ser pis.

Un equipo colaborador de Georgia Tech y la Universidad de Connecticut desarrolló un TENG de sólo 1 centímetro de diámetro que se ajusta a la superficie de un marcapasos. Al ser probado en un modelo de rata, el dispositivo produjo una potencia media de 3.6 microvatios de latidos cardíacos, lo suficiente para conducir un marcapasos con un umbral de bajo nivel de estimulación. El TENG mantuvo una salida estable durante más de 10 millones de ciclos y no mostró señales de inflamación en la superficie del corazón después de cuatro semanas de implante.

Los PETE todavía están lejos de usarse en forma clínica, pero su simplicidad y bajo costo los hacen atractivos para la investigación. Los principales retos son garantizar la estabilidad mecánica a largo plazo dentro del cuerpo y prevenir fugas eléctricas a través de la encapsulación. A medida que las tecnologías de materiales y embalaje maduran, los PETE podrían convertirse en una fuente de alimentación principal para los marcapasos de próxima generación.

Aproximaciones híbridas: Combinando Baterías y Harvesters

Ninguna tecnología de recolección de energía puede garantizar aún poder de estimulación ininterrumpida bajo todas las condiciones que un paciente puede encontrar. Sistemas híbridos que combinan una pequeña batería primaria con una cosechadora de energía y un condensador de almacenamiento proporcionan la fiabilidad necesaria para dispositivos críticos de vida mientras que todavía logran mayores ganancias en la longevidad. La cosechadora carga al condensador durante períodos de alta disponibilidad de energía, y el condensador suministra los pulsos de estimulación.

Las arquitecturas híbridas ya están apareciendo en dispositivos comerciales. Medtronic y Boston Scientific han introducido marcapasos con telemetría inalámbrica que utiliza la recolección de energía de la varita de interrogatorio para recargar un condensador interno, reduciendo el desagüe de batería durante las sesiones de programación. Más prototipos avanzados integran una cosechadora piezoeléctrica o termoeléctrica directamente en la carcasa de marcapasos, con una batería de estado sólido que puede extenderse de forma efectiva durante diez años de funcionamiento.

La combinación de la recolección de energía con electrónica de baja potencia y algoritmos de estimulación eficientes crea un ciclo virtuoso. A medida que los microcontroladores y circuitos integrados específicos para aplicaciones (ASIC) se vuelven más eficientes de energía, la energía mínima necesaria para el estimulamiento de gotas, haciendo que la cosecha sea más viable. Algunos marcapasos modernos consumen tan sólo 2 microvatios en modo de espera, con pulsos de estimulación que requieren 5 a 20 micropropuls.

Impacto clínico y beneficios para los pacientes

La medida definitiva de cualquier nueva tecnología de energía es cómo afecta los resultados del paciente. La duración de la batería ampliada y el potencial de los dispositivos autopoderados se traducen directamente en menos intervenciones quirúrgicas, tasas de complicación reducidas y menores costos de atención médica. Cada procedimiento de reemplazo de marcapasos conlleva un riesgo de 1 a 3 por ciento de complicaciones importantes, incluyendo la infección de bolsillo, daño de plomo y hematoma.

La recolección de energía también abre la puerta a los marcapasos más pequeños. Los marcapasos sin plomo, que se implantan directamente en el ventrículo derecho a través de un catéter, eliminan el bolsillo y el plomo por completo, pero su tamaño de la batería los limita a una vida útil de aproximadamente ocho a doce años. Un marcapasos sin plomo equipado con una cosechadora de energía en miniatura podría alcanzar una longevidad comparable en un volumen mucho más pequeño, haciendo el procedimiento menos invasivo y adecuado.

Los pacientes pediátricos se benefician desproporcionadamente de la fuerza de marcapasos de larga duración. Los niños que reciben marcapasos pueden necesitar decenas de cirugías de reemplazo durante toda la vida, cada una con mayor dificultad técnica debido a tejido cicatrizal y anatomía alterada. Un sistema de potencia autosuficiente que dura veinte años o más transformaría la gestión del bloqueo cardíaco pediátrico, reduciendo la carga acumulativa de los procedimientos y permitiendo que los niños crezcan con menos interrupciones.

Desafíos e investigación continua

A pesar de los notables avances en tecnologías de la batería y la cosecha, quedan varios obstáculos antes de que estas innovaciones se vuelvan estándar en la práctica clínica. La seguridad y la biocompatibilidad son primordiales. Cualquier nuevo material o dispositivo que contacte a los tejidos corporales debe someterse a pruebas rigurosas para la citotoxicidad, la inflamación y la estabilidad a largo plazo.

La salida de los captadores de energía es a menudo variable y de bajo voltaje, que requiere circuitos de potencia eficientes que aumentan el voltaje a niveles utilizables por los equipos electrónicos de marcapasos. Estos circuitos deben consumir muy poca potencia, a menudo menos de un microvatio, y deben operar de forma fiable durante décadas. Los investigadores están desarrollando circuitos integrados de aplicaciones que integran la rectificación, el impulso y la gestión de almacenamiento en un solo chip

Otro área de investigación activa es la encapsulación de dispositivos. El interior del cuerpo humano es un ambiente duro para la electrónica, con alta humedad, iones corrosivos y células inmunes que atacan materiales extranjeros. El embalaje hermetico utilizando titanio o cerámica puede proteger la electrónica pero añade fuerza y rigidez. La encapsulación flexible mediante películas multicapa o tejidos atómicos-depuestos que permiten una barrera de compromiso excelente

La transferencia de energía inalámbrica es un enfoque complementario que también avanza rápidamente. Aunque no es estrictamente la recolección de energía, la carga inalámbrica puede extender la vida de una batería de marcapasos permitiendo el recargamiento periódico a través de la piel. Los sistemas que operan a frecuencias entre 100 kHz y 13.56 MHz pueden transferir varios milliwatts a un receptor profundo en el pecho con eficiencias superiores al 50 por ciento.

Future Outlook

La convergencia de baterías de estado sólido, la recolección de energía y electrónica ultra-bajo-fuerza está creando un futuro en el que los marcapasos no sólo son más duraderos, sino también más inteligentes y menos invasivos. En la próxima década, los sistemas híbridos que combinan una pequeña batería de respaldo de estado sólido con una cosechadora piezoeléctrica o termoeléctrica no requieren una realidad de batería totalmente activada.

Los avances en el aprendizaje y la detección de máquinas también influyen en el diseño del sistema de energía. Los marcapasos de próxima generación incorporarán sensores para el monitoreo hemodinámico, la predicción de la arritmia e incluso la evaluación remota de la salud. Estas funciones adicionales requieren más potencia, lo que a su vez impulsa la necesidad de baterías de mayor capacidad y cosechadores más eficientes. La interacción entre la capacidad y la energía seguirá formando la dirección de la investigación, con cada avance en una.

El objetivo final es un marcapasos que dura la vida del paciente, se adapta a sus necesidades fisiológicas cambiantes, y no requiere más mantenimiento que un chequeo rutinario cada pocos años. Con el ritmo de innovación en la tecnología de la batería y la recolección de energía, ese objetivo es más cercano que nunca.

Conclusión

Los dispositivos de medición de la batería y la captación de energía están avanzando rápidamente, impulsados por la necesidad de reducir las intervenciones quirúrgicas y mejorar la calidad de vida del paciente. Las baterías de estado sólido, las farmacias avanzadas de litio y los supercapacitadores biocompatibles ofrecen aumentos sustanciales en la densidad de energía y la seguridad.

  • Las baterías monofluoruro de carbono de estado sólido y litio podrían duplicar o triplicar la longevidad del marcapasos.
  • Los cosechadores piezoeléctricos convierten el movimiento de latidos cardíacos en microwatts de potencia continua.
  • Los generadores termoeléctricos apalancan el calor corporal para cargar dispositivos indefinidamente.
  • Las células de biocombustibles y los nanogeneradores triboeléctricos ofrecen fuentes de energía alternativas de glucosa y movimiento.
  • Los sistemas híbridos de batería-arvester proporcionan fiabilidad con frecuencia de reemplazo significativamente reducida.
  • Los pacientes pediátricos y sin plomo ganan más de las tecnologías de potencia de la vida prolongada.

Para más información sobre tecnología de marcapasos y sistemas de energía implantables, visite Mayo Guía clínica para marcapasos, el ] artículo de investigación de la naturaleza sobre la cosecha de energía piezoeléctrica para dispositivos cardíacos, y ScienceDirect overview of thermoelectric energy harvesting[LT5][FLT][FLT]