Baterías de lámina de papel activado por orina

El campo de MEMS y bioMEMS surge como una importante tecnología del nuevo milenio, con capacidad para crear complejos sistemas de ingeniería, autónomos y de bajo costo. Un problema crítico para estos microsistemas reside en las fuentes de energía.

Actualmente la orina se analiza químicamente para protección de la salud y/o para el diagnóstico de enfermedades. Todos los días un adulto saludable produce aproximadamente 1.2 litros de orina que es principalmente una solución acuosa de pérdidas metabólicas como la urea (25-35 g) y el ácido úrico (0.4-1.0 g), sales disueltas como el cloruro de sodio (15 g), y otros materiales orgánicos. La mayoría de estos químicos presentes en la orina pueden usarse para chequeos de salud y diagnóstico de enfermedades. Por ejemplo, la concentración de glucosa en la sangre se usa como marcador para el diagnóstico de diabetes y puede determinarse por medio de oxidasa de glucosa (GOD). Durante las últimas décadas, investigadores han desarrollado varios medios de supervisar la concentración de glucosa en la orina, sensores multianálisis para el descubrimiento de hypoxanthine, xanthine y ácido úrico, y un sensor de enzima para la determinación de urea.

Ahora se ha desarrollado un proceso de fabricación simple y barato, compatible con las tecnologías existentes para el laminado de plásticos. Aquí mostramos la viabilidad de usar una tecnología de laminación plástica simple, barata, para fabricar las baterías del papel activadas por orina, como una fuente de energía para manejar biosensores para cuidados de la salud. Se describen detalles del proceso de fabricación y la evaluación de la performance de la batería. En esta batería, una capa de magnesio (Mg) y otra de papel del filtro embebida en cloruro de cobre (CuCl) se usan como ánodo y cátodo, respectivamente. Montadas sobre una placa de cobre (Cu) y formando un conjunto intercalado entre dos láminas plásticas que se sellan al atravesar un rodillo calentado a 120 ºC. La batería de papel activado puede entregar 1.5 mW o más. Además, podrían integrarse con dispositivos bioMEMS para ser utilizados en test de salud, generalmente para detección y/o diagnóstico considerando que resultan una fuente que mantiene poder suficiente para este tipo de circuitos microelectromecánicos. La Figura 1 muestra el diagrama de una batería de papel activada por orina que consiste en una capa cobre (Cu), el papel de filtro embebido en cloruro de cobre (CuCl) y una capa de magnesio (Mg). El ensamble completo se intercala entre dos capas plásticas que luego se lamina (para compactar y sellar) pasándola a través de los rodillos calentados a 120º C. La Figura 2 muestra el principio de funcionamiento de la batería. Se usan magnesio y cloruro de cobre como ánodo y cátodo, respectivamente. La capa de Cu actúa como colectora de electrones. Cuando una gota de orina humana se agrega a la batería, como se observa en la figura 2, la orina empapa el papel montada entre las capas de Mg y Cu. Los químicos se disuelven y reaccionan para producir electricidad. Aunque la orina contiene otros electrolitos químicos menores como el ácido úrico, el cloruro de cobre (CuCl), es el químico usado mayoritariamente para la generación de electricidad en estas baterías. Las reacciones químicas del ánodo (la oxidación) y cátodo (la reducción) se representan en las ecuaciones (1) y (2), respectivamente: Mg ======> Mg2+ + 2e--- (1) 2CuCl + 2e--- ===> 2Cu + 2Cl --- (2)
y la reacción global es: Mg + 2CuCl ====> MgCl2 + 2Cu. (3) El voltaje teórico de esta batería es una función directa de los materiales del ánodo y del cátodo. El potencial normal se calcula como 2.49 V del electrodo normal, los potenciales como la suma del ánodo potencial y el cátodo potencial.

Para fabricar la batería del papel, se ha desarrollado una técnica que es compatible con las conocidas tecnologías de laminado plástico. La placa de magnesio se usa como ánodo debido a su estabilidad química en el aire.

La primera batería de papel activada por orina ha sido expuesta para bioMEMS y a disposición de usos diversos. Los conceptos básicos de operación de la batería son presentados y el prototipo de microbatería es fabricado usando un proceso de laminación plástica simple y barato. En esta demostración preliminar, el Mg. se utiliza como ánodo para generar electrones, y CuCl distribuido en un papel de filtro es seleccionado como cátodo. El estudio experimental de la microbatería mostró que se obtiene un voltaje máximo de 1.47 V y un poder máximo de 1.5 mWs para resistencia de carga de 1k. Es previsible que el voltaje, corriente y la capacidad de la microbatería pueden ser mejorados haciendo series de batería paralelas, así como empleando otros sistemas de electrodo/electrolito. Esto demuestra la viabilidad de usar la batería de papel activada por orina para bioMEMS, dispositivos para bioaplicaciones, incluso equipos de test de salud domiciliarios.

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Adan Chaparro
CI: 17501640
EES