El futuro de la visión: los científicos desarrollan una córnea flexible

Por Universidad Tecnológica de Nanyang28 de agosto de 2023

El profesor asociado Lee Seok Woo, de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica (EEE) de NTU, sostiene la batería flexible que es tan delgada como una córnea humana. Crédito: NTU Singapur

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur (NTU Singapur) han creado una batería flexible que es tan delgada como una córnea humana. Este innovador dispositivo de almacenamiento de energía se carga solo cuando se sumerge en una solución salina y tiene el potencial de alimentar lentes de contacto inteligentes en el futuro.

Las lentes de contacto inteligentes son lentes de contacto de alta tecnología capaces de mostrar información visible en nuestras córneas y pueden usarse para acceder a la realidad aumentada. Los usos actuales incluyen ayudar a corregir la visión, monitorear la salud de los usuarios y detectar y tratar enfermedades en personas con afecciones crónicas como diabetes y glaucoma. En el futuro, se podrían desarrollar lentes de contacto inteligentes para registrar y transmitir todo lo que un usuario ve y oye al almacenamiento de datos basado en la nube.

Sin embargo, para alcanzar este potencial futuro es necesario desarrollar una batería segura y adecuada para alimentarlos. Las baterías recargables existentes se basan en cables o bobinas de inducción que contienen metal y no son adecuadas para su uso en el ojo humano, ya que resultan incómodas y presentan riesgos para el usuario.

La batería desarrollada por NTU está hecha de materiales biocompatibles y no contiene cables ni metales pesados ​​tóxicos, como los de las baterías de iones de litio o los sistemas de carga inalámbricos. Tiene un recubrimiento a base de glucosa que reacciona con los iones de sodio y cloruro en la solución salina que la rodea, mientras que el agua que contiene la batería sirve como "cable" o "circuito" para generar electricidad.

La batería también podría funcionar con lágrimas humanas, ya que contienen iones de sodio y potasio, en menor concentración. Al probar la batería actual con una solución de lágrimas simuladas, los investigadores demostraron que la vida útil de la batería se extendería una hora adicional por cada ciclo de uso de doce horas que se usara. La batería también se puede cargar de forma convencional mediante una fuente de alimentación externa.

El profesor asociado Lee y la coautora principal del estudio, la señorita Li Zongkang, Ph.D. Estudiante de la EEE de la NTU, presentando la batería. Crédito: NTU Singapur

El profesor asociado Lee Seok Woo, de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica (EEE) de NTU, quien dirigió el estudio, dijo: “Esta investigación comenzó con una pregunta simple: ¿Podrían recargarse las baterías de lentes de contacto con nuestras lágrimas? Hubo ejemplos similares de baterías autocargables, como las de tecnología portátil que funcionan con la transpiración humana.

“Sin embargo, las técnicas anteriores para las baterías de lentes no eran perfectas ya que un lado del electrodo de la batería estaba cargado y el otro no. Nuestro enfoque puede cargar ambos electrodos de una batería mediante una combinación única de reacción enzimática y reacción de autorreducción. Además del mecanismo de carga, se basa únicamente en glucosa y agua para generar electricidad, los cuales son seguros para los humanos y serían menos dañinos para el medio ambiente si se desechan, en comparación con las baterías convencionales”.

El coautor principal, el Dr. Yun Jeonghun, investigador de la EEE de NTU, dijo: “El sistema de carga de batería más común para lentes de contacto inteligentes requiere electrodos metálicos en la lente, que son dañinos si se exponen al ojo humano desnudo. Mientras tanto, otro modo de alimentar lentes, la carga por inducción, requiere que haya una bobina en la lente para transmitir energía, muy similar a una plataforma de carga inalámbrica para un teléfono inteligente. Nuestra batería basada en lágrimas elimina las dos posibles preocupaciones que plantean estos dos métodos, al tiempo que libera espacio para una mayor innovación en el desarrollo de lentes de contacto inteligentes”.

Highlighting the significance of the work done by the research team, NTU School of Mechanical & Aerospace Engineering Associate Professor Murukeshan Vadakke Matham, who specializes in biomedical and nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> óptica a nanoescala y no participó en el estudio, dijo: "Como esta batería se basa en la glucosa oxidasa, que se produce naturalmente en los humanos y funciona con iones de cloruro y sodio, como los que se encuentran en nuestras lágrimas, deberían ser compatibles y adecuadas para los humanos". uso. Además de eso, la industria de lentes de contacto inteligentes ha estado buscando una batería delgada y biocompatible que no contenga metales pesados, y esta invención podría ayudar a promover su desarrollo para satisfacer algunas necesidades no satisfechas de la industria”.

El equipo de investigación ha solicitado una patente a través de NTUitive, la empresa empresarial e innovadora de NTU. También están trabajando para comercializar su invento.

Los hallazgos fueron publicados recientemente en la revista Nano Energy.

El equipo demostró su invento utilizando un ojo humano simulado (ver vídeo). La batería, que tiene aproximadamente 0,5 milímetros de grosor, genera energía eléctrica al reaccionar con las lágrimas basales (las lágrimas constantes que crean una fina película sobre nuestros globos oculares) para que funcionen los dispositivos integrados en las lentes.

La batería, flexible y descargada, descarga electricidad mediante un proceso llamado reducción cuando su capa de glucosa oxidasa reacciona con los iones de sodio y cloruro de las lágrimas, generando energía y corriente dentro de las lentes de contacto.

El equipo demostró que la batería podía producir una corriente de 45 microamperios y una potencia máxima de 201 microvatios, que sería suficiente para alimentar una lente de contacto inteligente.

Las pruebas de laboratorio demostraron que la batería se podía cargar y descargar hasta 200 veces. Las baterías de iones de litio típicas tienen una vida útil de 300 a 500 ciclos de carga.

El equipo recomienda colocar la batería durante al menos ocho horas en una solución adecuada que contenga una gran cantidad de iones de glucosa, sodio y potasio, para cargarla mientras el usuario duerme (ver Figura 1).

La coautora principal, Miss Li Zongkang, estudiante de doctorado de la EEE de NTU, dijo: “Aunque la transmisión de energía inalámbrica y los supercondensadores suministran alta potencia, su integración presenta un desafío importante debido a la cantidad limitada de espacio en la lente. Al combinar la batería y la celda de biocombustible en un solo componente, la batería puede cargarse sola sin necesidad de espacio adicional para componentes cableados o inalámbricos. Además, los electrodos colocados en el lado exterior de la lente de contacto garantizan que no se pueda obstruir la visión del ojo”.

El equipo de NTU llevará a cabo más investigaciones para mejorar la cantidad de corriente eléctrica que puede descargar su batería. También trabajarán con varias empresas de lentes de contacto para implementar su tecnología.

Referencia: “Una batería a base de lágrimas cargada con biocombustible para lentes de contacto inteligentes” por Jeonghun Yun, Zongkang Li, Xinwen Miao, Xiaoya Li, Jae Yoon Lee, Wenting Zhao y Seok Woo Lee, 13 de marzo de 2023, Nano Energy.DOI: 10.1016 /j.nanoen.2023.108344