Tras la reciente noticia de que Neuralink, la empresa de Elon Musk, ha recibido autorización para iniciar ensayos en humanos, queda claro que la bioelectrónica, como las interfaces cerebro-computadora (BCI, por sus siglas en inglés), está dejando atrás la ciencia ficción para convertirse en realidad. ¿Qué es una interfaz cerebro-computadora (BCI)? Se trata de un implante cerebral que permite a los usuarios controlar un ordenador o un dispositivo externo mediante el pensamiento.
Neuralink utiliza un implante con más de 1000 electrodos distribuidos en 64 hilos, cada uno más fino que un cabello humano, que registran y transmiten los pensamientos de los pacientes a una aplicación. Esta aplicación decodifica las señales cerebrales y controla un ordenador, permitiendo hacer clic como si se usara un ratón o escribir texto como si el usuario estuviera tecleando. Esto permite comunicarse a pacientes con parálisis o enfermedades neurodegenerativas como el Parkinson o la esclerosis lateral amiotrófica (ELA). Sus aplicaciones van más allá de la rehabilitación; Neuralink vislumbra un futuro en el que el pensamiento se convierta en la interfaz definitiva, permitiendo a las personas controlar dispositivos, navegar por mundos virtuales e incluso aumentar sus capacidades cognitivas.
Neuralink no es la única empresa en esta carrera por conectar cerebros y ordenadores; compañías como Synchron y Precision Neuroscience también han comenzado ensayos clínicos en humanos con tecnologías BCI. Muchos de estos ensayos buscan pacientes con parálisis o ELA, pero las oportunidades para los avances médicos se extienden mucho más allá de estas enfermedades.
Un análisis de patentes y artículos científicos en la CAS Content CollectionTM ha mostrado un creciente interés en la bioelectrónica, pero también ha revelado importantes desafíos para su adopción generalizada. Hemos observado un crecimiento sustancial en las publicaciones académicas sobre bioelectrónica en los últimos cinco años, pero la investigación académica supera a las publicaciones de patentes (véase la Figura 1). Esto sugiere que la comercialización a gran escala de estas tecnologías se enfrenta a retos científicos fundamentales que aún se están estudiando en el ámbito académico y que podrían tardar años en resolverse.
¿Por qué sigue siendo difícil integrar la bioelectrónica en la vida cotidiana? ¿Cuáles son los materiales que hacen posibles estas innovaciones y cómo deben mejorar? Nuestro análisis de las investigaciones más recientes ha revelado varias tendencias clave.
Introducción a la bioelectrónica
La bioelectrónica implica el desarrollo de nuevos dispositivos, a menudo mediante el uso de materiales y metodologías innovadoras, que permiten a los sistemas electrónicos interactuar con componentes biológicos a nivel molecular, celular y orgánico. Este enfoque aprovecha la capacidad intrínseca de los organismos vivos para detectar, procesar y responder a estímulos externos, combinándola con la precisión y velocidad de los componentes electrónicos modernos. Para crear estas interfaces humano-computadora, estas innovaciones dependen en gran medida de una serie de materiales especializados que permiten una integración eficaz con los tejidos biológicos.
Neuralink, como se ha mencionado, utiliza diminutos electrodos en hilos que tienen una quinta parte del grosor de un cabello humano, combinando metales conductores con poliamida, un tipo de plástico. Precision Neuroscience también utiliza miles de electrodos minúsculos integrados en una película flexible que se adapta a la superficie del cerebro. La miniaturización de los materiales utilizados en los electrodos supone un desafío único, ya que deben ser capaces de transferir eficazmente la carga eléctrica a los tejidos biológicos manteniendo al mismo tiempo su suavidad, flexibilidad y biocompatibilidad.
Nuestra investigación ha demostrado que el área facial y el sistema nervioso son las zonas corporales más citadas en la investigación bioelectrónica, aunque casi todos los sistemas están representados en cierta medida (véase la Figura 2).
Estamos viendo aplicaciones de la bioelectrónica en la monitorización cardíaca, la administración de fármacos, el tratamiento del dolor y mucho más. Al igual que las BCI, estas innovaciones deben utilizar materiales que cumplan múltiples requisitos. Dichos materiales se detallan a continuación.
Polímeros utilizados en bioelectrónica
Los polímeros son moléculas formadas por muchas unidades unidas entre sí. En bioelectrónica, los compuestos que contienen polímeros son objeto de una investigación creciente, ya que permiten combinar materiales con múltiples propiedades complementarias o lograr que un material funcione de forma óptima para una aplicación concreta.
Por ejemplo, el polidimetilsiloxano (PDMS) es el polímero más citado en la bibliografía sobre bioelectrónica debido a sus numerosas propiedades ventajosas. En primer lugar, su flexibilidad y elasticidad ajustables permiten crear dispositivos electrónicos flexibles y elásticos que pueden integrarse mecánicamente con los tejidos biológicos. Los sustratos basados en PDMS se utilizan habitualmente para fabricar electrodos flexibles, sensores y dispositivos vestibles. El PDMS también es adecuado para aplicaciones ópticas, y las interfaces neuronales recubiertas de PDMS pueden implantarse en el cerebro o en el sistema nervioso sin causar daños significativos en los tejidos ni provocar una respuesta inmunitaria.
Los nanotubos de carbono son un tipo de material conductor que puede combinarse con el PDMS. Estas estructuras, que suelen tener decenas de nanómetros de diámetro, proporcionan conductividad eléctrica y pueden mezclarse con el PDMS para su uso en aplicaciones biomédicas, como en el músculo cardíaco y el cerebro.
Otro material prometedor es el PEDOT:PSS, una combinación de polímeros con propiedades conductoras y mecánicas ideales. Este material puede utilizarse en hidrogeles, una clase de materiales con propiedades similares a las de los tejidos humanos que resultan adecuados para aplicaciones bioelectrónicas. Por ejemplo, una patente reciente describe un electrodo de gel inyectable que contiene PEDOT:PSS, el cual se envía a una cavidad de resección tumoral para administrar tratamientos de electroterapia dirigidos a las células cancerosas residuales tras la cirugía.
Estos polímeros sintéticos y materiales microscópicos como los nanotubos son prometedores, pero también hemos observado que los científicos no han olvidado los materiales del mundo natural que pueden combinarse para crear compuestos bioelectrónicos (véase la Figura 3).
Los polímeros naturales, como la celulosa, el alginato y la seda, ofrecen las ventajas de la estabilidad, una gran resistencia mecánica y la biocompatibilidad. Los electrodos a base de seda combinados con PEDOT:PSS han demostrado una excelente elasticidad y comodidad para dispositivos vestibles. Otra innovación reciente es una combinación de óxido de molibdeno biodegradable y alginato sódico —obtenido a partir de algas pardas— que constituye un supercondensador reabsorbible para alimentar dispositivos bioelectrónicos implantados.
Metales y compuestos inorgánicos en bioelectrónica
Esto nos lleva a otra clase de materiales: los metales. Los metales nobles son conductores y estables, por lo que han ocupado un lugar destacado en la investigación bioelectrónica. Neuralink, por ejemplo, utiliza oro y platino, dos metales muy estables y bien conocidos.
Nuestro análisis, sin embargo, reveló que los metales biodegradables y biorreabsorbibles como el molibdeno, el zinc y el magnesio también son compuestos inorgánicos prometedores para la bioelectrónica. Estos materiales combinan las propiedades eléctricas de un metal con la capacidad de ser descompuestos y absorbidos de forma segura por el organismo con el paso del tiempo. Se han construido dispositivos bioelectrónicos totalmente reabsorbibles combinando estos metales con polímeros encapsulantes biodegradables, como un electrodo estimulador nervioso electrónico compuesto de molibdeno y poliuretano.
Superar los obstáculos para la comercialización
Existen numerosas posibilidades innovadoras en bioelectrónica, y nuestra investigación en revistas y patentes demostró que los ejemplos tratados anteriormente son solo una pequeña muestra de los posibles casos de uso. Sin embargo, este campo no está exento de retos importantes, y la mayor parte de esta tecnología sigue siendo experimental.
Uno de los retos clave es la respuesta inmunitaria a estos materiales y dispositivos. Cada paciente es diferente, y serán necesarios ensayos e investigaciones exhaustivos para demostrar que los materiales bioelectrónicos individuales son seguros para su uso generalizado. Los nanotubos de carbono, por ejemplo, pueden tener diversas estructuras, lo que dificulta aún más predecir cómo reaccionará cada persona. Las BCI se implantan en tejidos cerebrales sensibles y podrían incluso tener implicaciones de ciberseguridad en el futuro.
El único camino hacia la comercialización es el proceso de ensayos clínicos y las pruebas in vivo. Deben estudiarse los efectos a largo plazo para determinar la toxicidad y la eficacia: ¿mantienen los materiales conductores su capacidad para transmitir eficazmente la carga eléctrica? ¿Se descompondrán estos polímeros dentro del cuerpo? ¿Existen implicaciones a largo plazo de los implantes BCI en la fisiología o la psicología humana?
Abordar estas cuestiones es un reto importante, pero también lo es el potencial de estas innovaciones para mejorar la calidad de vida. Estamos entusiasmados por ver cómo evoluciona la investigación en los próximos años a medida que aumenten los ensayos en humanos y más conceptos lleguen a la fase de solicitud de patente. Puede parecer ciencia ficción, pero la bioelectrónica será un componente clave de la atención médica futura. Para saber más sobre cómo la bioelectrónica y otras clases emergentes de biomateriales remodelarán el futuro, consulte nuestro informe sobre las 10 principales tendencias emergentes en biomateriales.
Este artículo incorpora investigaciones realizadas en colaboración con la Universidad de Westlake, China.
