Hoy en día, los dispositivos médicos portátiles y de estado físico deben ser capaces de manejar la vida cotidiana: una gota de líquido o una caída al suelo no debería impedir que cumplan con su propósito.
Ya sea para uso diario por parte de los consumidores o un uso limitado para pruebas de diagnóstico, los dispositivos médicos deben ser duraderos y capaces de resistir la limpieza, la desinfección y el desgaste general, a veces por parte de distintos pacientes a lo largo de su vida útil. Y, para que duren, deben estar inherentemente protegidos contra líquidos y otros contaminantes, impactos sobre superficies duras e incluso radiación.
Diferentes formas y tamaños orientan el diseño y los materiales para dispositivos médicos portátiles
Los dispositivos médicos portátiles y de estado físico representan una amplia categoría. El tamaño del mercado mundial de dispositivos médicos portátiles se valuó en 21 300 millones de dólares en 2021 y se prevé que crezca a una tasa de crecimiento anual compuesta del 28,1 % entre 2022 y 2030.
Cuando la mayoría de las personas piensa en un dispositivo portátil, es posible que le venga a la mente un FitBit o un Apple Watch. Pero además de estos populares dispositivos portátiles de consumo, existe una gran cantidad de pequeños dispositivos médicos que se usan de manera temporal para evaluar a los pacientes, monitorearlos a largo plazo o incluso administrar una intervención terapéutica. Un área de crecimiento en los últimos años ha sido el diagnóstico, el tratamiento y el monitoreo de pacientes con arritmias cardíacas y otros trastornos relacionados con el corazón.
Los dispositivos portátiles con electrodos y conexiones de puesta a tierra, como los dispositivos para electrocardiografía (ECG/EKG), electroencefalografía (EEG), electromiografía (EMG) y electroterapia, utilizan electrodos y contactos de puesta a tierra junto con adhesivos que se pegan a la piel. Para estos dispositivos biomédicos y de evaluación que miden impulsos eléctricos para obtener diagnósticos o transfieren pulsos electrónicos al cuerpo, la durabilidad, la biocompatibilidad y la comodidad del paciente son consideraciones clave.
Algunos dispositivos portátiles, como los parches transdérmicos, sirven para administrar medicamentos de liberación prolongada. Por lo general, se usan durante largos períodos de tiempo, deben equilibrar la adherencia con la transpirabilidad y tienen que resultar cómodos para el usuario. También es importante que los materiales utilizados no interactúen de forma negativa con los medicamentos y productos farmacéuticos que se le administran al usuario.
Las tiras de glucosa en sangre y las pruebas para diabéticos son ejemplos comunes de dispositivos de diagnóstico de microfluidos. Se utilizan para rastrear biomarcadores como glucosa y niveles de pH a nivel molecular en la sangre, el sudor u otros fluidos, son pequeños y complejos, tienen sensores que recopilan datos del usuario y deben alojar circuitos impresos flexibles, ensamblajes de PCB, electrodos y baterías.
Los dispositivos portátiles de monitoreo biométrico representan una amplia categoría que rastrea marcadores biométricos e información, lo que incluye temperatura, frecuencia cardíaca, respiración y movimiento, entre otros. Algunos ejemplos incluyen monitores continuos de glucosa, monitores de presión arterial y monitores de sueño. Su funcionalidad, incluida la capacidad para transmitir la información recopilada de forma inalámbrica, requiere componentes internos como circuitos flexibles y conjuntos de baterías. También es posible que deban estar adheridos al usuario mediante alguna sustancia adhesiva.
Tanto los usuarios como los componentes internos de los dispositivos portátiles médicos deben estar protegidos
Existen muchos elementos que deben mantenerse fuera de un dispositivo médico para que este siga funcionando. Los líquidos como el agua son los ejemplos más obvios, pero la suciedad, el polvo e incluso las interferencias electromagnéticas implican amenazas para su correcto funcionamiento. Esto crea varios desafíos para los diseñadores porque los dispositivos deben ser rentables, sobre todo para el mercado de consumo, además de ser duraderos.
Los materiales utilizados para los dispositivos médicos portátiles, en particular las juntas de sellado, son fundamentales para la fabricación de estos dispositivos. No solo deben evitar el ingreso de contaminantes no deseados, sino que también deben ser seguros para el contacto humano, según dónde se encuentren en el dispositivo. Las juntas de sellado para aplicaciones médicas que entran en contacto con el tejido humano, los fluidos corporales, los fluidos médicos o los medicamentos están hechas de un material distinto a las juntas en el interior de los dispositivos electrónicos médicos; por ejemplo, las juntas de sellado ignífugas dentro de las impresoras 3D que se utilizan para fabricar prótesis y elementos ortopédicos.
El material utilizado para sellar juntas en dispositivos médicos y portátiles debe ser más que rentable y confiable. También debe cumplir con los requisitos normativos, incluidos los de la FDA y otros estándares según su utilización y, al mismo tiempo, debe admitir una fabricación de precisión de gran volumen. Todos los materiales seleccionados para su uso en los dispositivos médicos deben equilibrar la funcionalidad con la comodidad del usuario.
Es posible que todas las piezas, incluidas las juntas de sellado, deban ser ignífugas, conductoras de electricidad y brindar protección contra descargas electrostáticas. Todos estos requisitos orientan la selección de materiales, los cuales abarcan un amplio espectro de polímeros y elastómeros. Sobre todo, deben ser duraderos.
Cómo equilibrar la flexibilidad y durabilidad para los dispositivos médicos portátiles
Los actuales dispositivos médicos portátiles deben tener en cuenta la forma de vida de las personas. No solo deben poder adaptarse a la forma del usuario, sino que también deben poder hacerlo durante largos períodos de tiempo.
La humedad es un factor constante cuando se considera la vida cotidiana normal de los usuarios de dispositivos médicos portátiles, razón por la cual las juntas de sellado son tan importantes. Deben poder resistir el sudor, la ducha e incluso, un chapuzón en la piscina. Las personas esperan que los dispositivos electrónicos sean lo suficientemente resistentes al agua como para no tener que preocuparse por quitárselos para meterse en la ducha o nadar. También esperan que sus dispositivos portátiles resistan golpes o caídas ocasionales sobre una superficie dura. Ya sea que se trate de un dispositivo de consumo con un único propietario o un dispositivo de diagnóstico médico utilizado de forma temporal por varios pacientes, estos deben funcionar de manera confiable en el transcurso de días, semanas, meses e incluso años.
Debido a que la flexibilidad y la durabilidad son consideraciones clave, los dispositivos médicos portátiles necesitan una combinación de materiales sólidos y blandos. Esta es la razón por la que los policarbonatos y los elastómeros termoplásticos (TPE) a menudo se utilizan para fabricar las carcasas y las interfaces según los estándares de grado médico, incluidos aquellos relacionados con el contacto con tejidos humanos. En particular, los TPE son adecuados para sellar juntas y suavizar componentes, lo que permite que los dispositivos portátiles sean cómodos. En general, los dispositivos duraderos que resisten mucho tiempo el uso habitual deben estar compuestos de materiales que ofrezcan resistencia química y demuestren una firme adhesión.
La resistencia química es importante porque los dispositivos portátiles deben admitir una limpieza regular, pero también pueden tener contacto con lociones y cremas corporales, las cuales pueden degradar los plásticos con el tiempo. Además, un dispositivo aplicado en la piel por un trabajador de la salud puede entrar en contacto con desinfectantes a base de alcohol. Por supuesto, los componentes electrónicos dentro de estos dispositivos portátiles también deben protegerse de los solventes de limpieza y, a veces, la mejor manera de desinfectar un dispositivo médico portátil es la radiación, lo que crea desafíos adicionales.
La esterilización mediante radiación afecta las características de los componentes para dispositivos médicos portátiles
Un método para esterilizar dispositivos médicos consiste en exponerlos a la radiación. Sin embargo, la radiación puede causar daños según la complejidad y los componentes del dispositivo.
En el caso de los dispositivos portátiles más inteligentes que tienen memoria para almacenar y procesar datos, la radiación puede ser perjudicial, sobre todo para las memorias flash. No solo existen limitaciones para su uso en dispositivos médicos sujetos a radiación, sino que son difíciles de usar fuera de la órbita terrestre en aplicaciones espaciales.
No obstante, existen otros tipos de memoria que son más tolerantes a la radiación. Por ejemplo, la memoria de acceso aleatorio de puente conductivo (CBRAM) es una memoria no volátil que utiliza celdas típicas para almacenar unos y ceros digitales. Para distinguirlas, se usa una pequeña tensión eléctrica para cambiar la resistencia de la celda de memoria entre alta y baja resistencia. En combinación con una capa dieléctrica que se agrega en el proceso de fabricación, la física fundamental de CBRAM es tal que la información se almacena de manera diferente en el chip para que tolere la radiación. Otras memorias que pueden admitir bien la radiación son las SRAM y potencialmente las MRAM.
Las memorias como CBRAM pueden admitir mejor la exposición a la radiación gamma utilizada para esterilizar dispositivos médicos. Históricamente, la electrónica no ha sido capaz de resistir la esterilización mediante radiación. La alternativa es usar vapor, pero eso crea otros desafíos. La radiación funciona bien para esterilizar porque permite una limpieza rápida de los dispositivos y, de este modo, pueden volver a utilizarse con rapidez en un entorno hospitalario.
Los dispositivos médicos portátiles y de estado físico son cada vez más complejos. Cuanto más alto sea el costo inicial, mayores serán las expectativas de longevidad, ya sea que se trate de un consumidor que compre un elegante rastreador de actividad física o de un hospital que implemente rastreadores de diagnóstico que deba usar más de un paciente. Eso significa que, durante el proceso de diseño se deben tener en cuenta las condiciones que deben soportar para que los materiales y los componentes sean flexibles y duraderos.
