Analizar el sudor puede ofrecer información sobre la respuesta del organismo al ejercicio físico y otros procesos fisiológicos. Para aprovechar ese potencial, un equipo de investigadores de la Universidad Católica San Antonio de Murcia (UCAM) desarrolla nuevos sensores químicos fabricados íntegramente mediante impresión 3D, una tecnología que podría facilitar la detección de sustancias biológicas y abrir nuevas posibilidades en la monitorización deportiva y clínica.
La investigación se lleva a cabo desde la Unidad de Investigación UCAM-SENS, en colaboración con investigadores de la Universidad de Murcia (UMU), dentro del proyecto Sens3D. Su objetivo es desarrollar nuevos materiales que permitan fabricar sensores potenciométricos mediante impresión tridimensional, una línea de investigación que todavía exploran muy pocos laboratorios en el mundo.
La propuesta parte de una pregunta: si la impresión 3D ha transformado la fabricación en tantos sectores, ¿por qué no se ha extendido a los sensores químicos? «Nadie había fabricado sensores potenciométricos usando técnicas de impresión 3D y nos pusimos a hacerlo, pero para ello necesitamos unos materiales que desarrollamos nosotros mismos», explica el responsable del proyecto, José Daniel Rojas. Este investigador se apoya en los avances de un grupo reconocido internacionalmente por su trabajo en este campo y en su propia formación en República Checa junto a un especialista en impresión 3D de dispositivos electroquímicos.
El proyecto cuenta con financiación de la Fundación Séneca de la Región de Murcia y se encuentra en una fase de prueba de concepto. Su propósito es demostrar que la impresión tridimensional permite fabricar todos los componentes necesarios para construir un sensor capaz de detectar iones, desde su estructura hasta la membrana sensible que reconoce las sustancias que se quieren medir.
Cómo funcionan los sensores químicos impresos en 3D
Los sensores potenciométricos permiten detectar determinadas sustancias biológicas a partir de la respuesta eléctrica que generan. Para ello necesitan distintos componentes, entre ellos una parte conductora y otra sensible, encargada de reconocer la sustancia de interés. Tradicionalmente, la fabricación de estos dispositivos requiere procesos de elaboración manual y el posterior ensamblaje de diferentes piezas.
La impresión 3D de sensores químicos abre una vía de fabricación diferente, con un abanico de posibilidades mucho más amplio. En lugar de producir por separado los componentes para unirlos después, el equipo trabaja para integrar el dispositivo en un proceso de fabricación digital que también ofrece mayor libertad a la hora de definir su geometría.
«Las técnicas convencionales solamente permiten fabricar sensores planos. El hecho de emplear una impresora 3D no solo mejora la reproducibilidad, sino que puedo crear estructuras nuevas», explica el investigador.
Esa tercera dimensión no es únicamente una cuestión estética o de tamaño. José Daniel Rojas aclara que permite alojar los distintos componentes en una misma estructura, confinar la membrana sensible y explorar diseños que serían más difíciles de conseguir mediante los métodos tradicionales.
Hasta que dispongan del equipo específico en el que ya están trabajando, los investigadores combinan dos tecnologías de impresión. Una emplea filamentos de materiales termoplásticos a los que se añaden componentes conductores, como nanotubos de carbono, negro de carbono o grafito. La otra utiliza resinas fotosensibles que se solidifican cuando reciben luz y permiten incorporar los elementos responsables de la sensibilidad química del dispositivo.
Esta combinación hace posible imprimir tanto la estructura del sensor como su membrana sensible. Durante el primer año del proyecto, el equipo ha conseguido desarrollar una celda electroquímica totalmente impresa, que integra el electrodo selectivo y el de referencia, dos elementos imprescindibles para medir cada ion.
Nuevos materiales para fabricar sensores electroquímicos
El desarrollo de estos dispositivos ha planteado varios obstáculos técnicos. La elevada carga conductora necesaria volvía los filamentos demasiado frágiles para imprimirlos. Como alternativa, el equipo desarrolló un tratamiento con láser de CO₂ que, aplicado sobre electrodos impresos con filamentos comerciales, elimina parte del polímero de la superficie y deja expuesta una estructura de carbono muy porosa. El resultado son electrodos con una superficie activa mucho mayor y mejores propiedades electroquímicas.
En paralelo, el grupo ha formulado una resina fotocurable para imprimir la membrana sensible al potasio. Esta membrana ofrece un comportamiento analítico comparable al de las membranas convencionales y una señal más estable en el tiempo.
La geometría también ofrece margen para mejorar el rendimiento de los dispositivos. El grupo trabaja en la miniaturización de los sensores y en diseños que permitan aumentar su sensibilidad, además de adaptar su forma a diferentes usos. «Básicamente, nosotros estamos desarrollando una herramienta que te da un nuevo método de fabricación, hasta ahora desconocido, y que te permite jugar con una tercera dimensión», sentencia Rojas.
Del análisis del sudor a la monitorización de deportistas
Aunque estos sensores podrían adaptarse a diferentes sustancias, el equipo ha comenzado por los iones, como el potasio, el cloruro y los relacionados con el pH. La elección responde a la especialización del grupo y permite avanzar en una aplicación concreta antes de abordar otros objetivos.
Cada elemento que se quiere medir requiere una membrana sensible específica, por lo que ampliar las posibilidades de detección implica modificar los componentes que reconocen las sustancias buscadas. La tecnología podría llegar a utilizarse para detectar otros compuestos, como glucosa, lactato o proteínas, siempre que se desarrollen los materiales adecuados para cada caso.
Una de las aplicaciones que despierta más interés es la monitorización de deportistas mediante el análisis del sudor. Un sensor adaptado para estudiar este fluido podría medir distintos iones durante la actividad física y relacionar sus valores con parámetros del esfuerzo. El investigador apunta, por ejemplo, a la posibilidad de registrar el pH del sudor para estudiar su relación con la respuesta del organismo.
«Explicado de una manera sencilla, esto podría ser como una especie de análisis de sangre, pero en el sudor y en tiempo real», dice Rojas. No obstante, matiza que todavía no han alcanzado ese punto: el proyecto está desarrollando las herramientas que podrían hacerlo posible, no un dispositivo comercial capaz de ofrecer ya ese análisis.
Las posibilidades tampoco se limitan al deporte. El investigador menciona aplicaciones clínicas, como el desarrollo de sensores relacionados con la fibrosis quística, así como usos en animales y plantas. En todos los casos, la viabilidad dependerá de adaptar el sensor a las sustancias que se necesite detectar.
Los dispositivos desarrollados hasta ahora miden entre 10 y 15 milímetros, aunque la impresión 3D permite modificar sus dimensiones y personalizar su forma. Esa versatilidad podría facilitar la creación de sensores más cómodos para los usuarios o adaptados a necesidades concretas.
El reto: integrar la fabricación y avanzar hacia la industria
El siguiente paso consiste en caracterizar los materiales y avanzar hacia un sistema de fabricación integrado. El equipo ya trabaja en la idea de diseñar impresoras específicas que combinen las dos tecnologías actuales y permitan producir el sensor completo en una sola máquina. El objetivo es simplificar el proceso y preparar el camino hacia el escalado industrial.
Por ahora, no existen contactos con empresas, ya que la tecnología todavía se encuentra en una fase temprana. Sin embargo, la prueba de concepto financiada por la Fundación Séneca puede servir para despertar el interés de la industria o facilitar que los propios investigadores impulsen una empresa de base tecnológica.
Con los resultados obtenidos hasta ahora, el equipo de UCAM-SENS ha demostrado la viabilidad de una nueva vía para fabricar sensores químicos mediante impresión 3D. Una tecnología que, además de ofrecer mayor libertad de diseño, podría simplificar los procesos de producción y reducir sus costes.
