Investigadores de las universidades Drexel y Penn State han desarrollado un hidrogel ultrablando, adhesivo y reutilizable capaz de registrar con gran precisión señales biológicas incluso sobre piel con vello, sudorosa o en movimiento. El avance podría mejorar la monitorización del corazón, el cerebro, los músculos y hasta la ansiedad mediante una nueva generación de biosensores portátiles.

Por Enrique Coperías, periodista científico

El nuevo hidrogel desarrollado por investigadores de las universidades Drexel y Penn State se adapta como una segunda piel, y mantiene un contacto firme incluso sobre superficies con vello o sudor. Crédito: Drexel University.

Por qué los biosensores actuales tienen problemas

Durante los últimos veinte años, los biosensores portátiles han ido transformado lenta pero implacablemente la medicina. Hoy resulta habitual que millones de personas lleven una pulsera que registra su frecuencia cardíaca, un parche que controla sus niveles de glucosa o un electrodo capaz de vigilar la actividad eléctrica del corazón durante días.

Nadie puede negar que estos dispositivos han convertido el seguimiento continuo de la salud en una realidad cotidiana, al permitir detectar alteraciones antes de que aparezcan los síntomas y facilitar que muchos pacientes lleven una vida prácticamente normal.

Sin embargo, todos estos sistemas comparten un problema que parece trivial, pero que condiciona su funcionamiento. La piel humana está viva. Se mueve, se estira, transpira, produce grasa y, en muchas zonas del cuerpo, está cubierta de vello. Todo ello dificulta que los sensores permanezcan bien adheridos durante horas o días. Cuando el contacto falla, también lo hace la calidad de las señales eléctricas que recogen.

«El objetivo definitivo de un biosensor es que sea tan fiable y cómodo que quien lo lleve pueda hacer su vida sin darse cuenta siquiera de que está ahí —explica Abu Musa Abdullah, investigador posdoctoral de Ingeniería Mecánica de la Universidad Drexel y uno de los responsables del estudio. Y añade—: Pensando en ello, desarrollamos una fórmula de hidrogel que puede imprimirse con cualquier forma o tamaño, y lo suficientemente adhesiva como para mantenerse sobre la piel incluso cuando está sudorosa o cubierta de vello, y además lo bastante resistente como para reutilizarse».

Ese avance, publicado en la revista Science Advances, es fruto de una colaboración entre investigadores de la citada universidad y la Universidad Estatal de Pensilvania (Penn State), que han diseñado un material capaz de resolver en paralelo varios de los grandes desafíos de la bioelectrónica portátil.

Un hidrogel inspirado en la biología... y reforzado con grafeno

A primera vista, el nuevo material recuerda a un gel transparente y flexible similar al de una lente de contacto blanda. Sin embargo, bajo esa apariencia esconde una sofisticada combinación de polímeros, grafeno y moléculas adhesivas diseñada para imitar el comportamiento mecánico de los tejidos humanos.

Los hidrogeles llevan años utilizándose en medicina porque contienen una enorme cantidad de agua y poseen una textura muy parecida a la de la piel. El problema es que la mayoría siguen siendo demasiado rígidos, pierden adherencia cuando aparece el sudor o se despegan fácilmente en zonas con abundante vello.

Para superar estos hándicaps, los investigadores al frente de la nueva investigación decidieron replantear completamente su composición.

La base del material está formada por una red de poliacrilamida, un polímero ampliamente utilizado en aplicaciones biomédicas por su flexibilidad y biocompatibilidad. A ella añadieron polidopamina, un compuesto inspirado en las proteínas adhesivas que emplean los mejillones para fijarse a las rocas incluso bajo el agua. Para reforzar aún más esa capacidad incorporaron ácido tánico, otra molécula rica en grupos catecol que incrementa la adhesión sobre superficies húmedas.

Pero el auténtico protagonista es el grafeno.

En lugar de emplear únicamente óxido de grafeno reducido, los investigadores combinaron este material con grafeno inducido mediante láser, una estructura extremadamente porosa obtenida al irradiar películas de poliimida con un láser de dióxido de carbono. Esa red tridimensional crea una especie de esponja microscópica que mejora tanto la conductividad eléctrica como la elasticidad y la circulación del sudor a través del hidrogel.

El resultado es un material extraordinariamente blando. Para hacerse una idea, su rigidez —medida mediante el llamado módulo de Young, el parámetro que utilizan los ingenieros para saber cuánto se resiste un material a deformarse— es de solo 1,08 kilopascales, un valor incluso inferior al de algunos tejidos cutáneos.

Esa extrema suavidad le permite amoldarse perfectamente a la piel y mantener un contacto mucho más estable que los electrodos convencionales. Además, puede estirarse hasta unas ochenta veces su longitud original —cerca de un 8.000 % de elongación— antes de romperse, una cifra muy superior a la de la mayoría de hidrogeles empleados actualmente en bioelectrónica.

Infografía resumen del nuevo hidrogel conductor desarrollado por investigadores de Drexel y Penn State. El esquema muestra cómo se fabrica este material basado en grafeno, sus principales propiedades —ultrablando, elástico, adhesivo y reutilizable— y sus aplicaciones para monitorizar señales fisiológicas como la actividad cardíaca, cerebral y muscular, así como el seguimiento de la ansiedad y la rehabilitación neurológica.

Un hidrogel capaz de «fabricarse» directamente sobre la piel

Otra de las novedades más llamativas del trabajo reside en la forma de fabricar el sensor.

Habitualmente, los hidrogeles deben prepararse previamente y colocarse ya solidificados sobre la piel. El equipo estadounidense encontró una manera de controlar el tiempo que tarda el gel en endurecerse modificando solo el pH de la mezcla inicial.

Este sencillo ajuste químico permite retrasar o acelerar la gelificación según las necesidades. En sus experimentos, los investigadores consiguieron variar ese tiempo desde unos veintidós minutos hasta apenas poco más de un minuto, tiempo suficiente para cargar el material en una jeringa o en una impresora 3D antes de que solidifique.

Gracias a ello, el hidrogel puede depositarse directamente sobre cualquier parte del cuerpo, y adaptándose con exactitud a la forma de la superficie.

🗣️ «Esta flexibilidad de fabricación nos permite crear electrodos personalizados con distintas formas y patrones que se ajustan estrechamente a zonas específicas del cuerpo o incluso a cada usuario —señala Abdullah—. Más que permitir un nuevo tipo de medición fisiológica, nuestro hidrogel hace que las mediciones ya existentes sean mucho más fiables en condiciones reales especialmente difíciles».

Los investigadores demostraron además que el material puede imprimirse mediante técnicas de fabricación aditiva para crear sensores complejos adaptados a distintas aplicaciones biomédicas.

Ni el pelo ni el sudor consiguen despegarlo

Por otro lado, cabe destacar que uno de los mayores enemigos de cualquier electrodo es el sudor.

Cuando la piel comienza a humedecerse, el líquido suele acumularse entre el sensor y la superficie cutánea, lo que aumenta la resistencia eléctrica y favorece que el dispositivo termine despegándose. Algo parecido ocurre con el vello corporal, que impide que muchos electrodos entren realmente en contacto con la piel.

El nuevo hidrogel aborda ambos problemas al mismo tiempo.

Su estructura porosa permite que el sudor atraviese el material sin formar bolsas de líquido, mientras que su extrema blandura hace que el gel rodee los pelos y se adapte a la piel situada entre ellos. A ello se suma la acción de la polidopamina y del ácido tánico, capaces de establecer múltiples enlaces químicos y físicos con la superficie cutánea incluso cuando está húmeda.

En las pruebas de laboratorio, el hidrogel mostró una fuerte adhesión no solo sobre piel, sino también sobre el vidrio, el acero, el cobre, el policarbonato o el caucho. Incluso después de retirarlo y volver a colocarlo decenas de veces, apenas perdió prestaciones. Los investigadores comprobaron además que puede conservarse durante semanas manteniendo prácticamente intactas sus propiedades eléctricas.

La combinación de suavidad, elasticidad y adhesión tiene un efecto directo sobre la calidad de las mediciones. Al mantenerse perfectamente adaptado a la piel, disminuye la impedancia de contacto entre el cuerpo y el electrodo y se reducen de forma muy notable los llamados artefactos de movimiento, esas interferencias que aparecen cuando caminamos, corremos o simplemente flexionamos una articulación.

El hidrogel puede imprimirse directamente sobre la piel con distintas formas y tamaños para crear biosensores personalizados que se adaptan perfectamente al cuerpo. Su estructura porosa favorece la transpiración, mantiene una fuerte adhesión incluso durante el movimiento y permite reutilizar los sensores sin perder rendimiento. Cortesía: Drexel University.

Señales mucho mejores del corazón, músculos, ojos y cerebro

Las propiedades mecánicas del hidrogel serían poco útiles si no se tradujeran en una mejora real de la calidad de las mediciones. Para comprobarlo, los investigadores sometieron el nuevo material a una batería de pruebas comparándolo con los electrodos comerciales de plata/cloruro de plata (Ag/AgCl), los más utilizados actualmente en hospitales y dispositivos portátiles.

Los resultados fueron especialmente llamativos cuando los voluntarios realizaban movimientos continuos.

En los registros de electrocardiograma (ECG), el nuevo hidrogel mantuvo una señal estable tanto en la muñeca como sobre el pecho, incluso durante movimientos repetidos de flexión y estiramiento. En cambio, los electrodos convencionales comenzaron a mostrar fluctuaciones importantes de la línea base, un fenómeno conocido como artefacto de movimiento que dificulta la interpretación de los datos.

La diferencia se hizo todavía más evidente cuando las pruebas se realizaron sobre zonas con abundante vello corporal.

Mientras que los electrodos tradicionales apenas conseguían establecer un buen contacto eléctrico con la piel, el hidrogel se adaptaba entre los pelos manteniendo una impedancia muy baja y una relación señal-ruido muy superior. Los investigadores destacan que, en el pecho con vello, la impedancia de contacto del nuevo material fue varios órdenes de magnitud inferior a la de los electrodos comerciales utilizados como referencia.

Las ventajas no se limitaron al corazón.

En efecto, el mismo material permitió registrar con gran precisión los movimientos oculares mediante electrooculografía (EOG), y detectar diferencias claras entre parpadeos normales y forzados, así como el desplazamiento de la mirada de un lado a otro. También funcionó como electrodo para la electromiografía (EMG), egistrando la actividad eléctrica de los músculos del antebrazo durante la apertura y el cierre del puño.

🗣️ «Si un sensor resulta incómodo, es rígido o pierde contacto con la piel durante el movimiento, puede introducir ruido en las señales registradas y reducir la calidad de los datos —explica Abdullah—. Nuestro hidrogel está diseñado para adaptarse estrechamente a la piel, incluso en zonas con sudor o vello y durante el movimiento, ayudando a mantener una calidad estable de la señal mientras mejora la comodidad, incluso después de múltiples reutilizaciones».

Un biosensor capaz de medir la ansiedad

Quizá la demostración más llamativa del estudio no fue la monitorización cardíaca, sino una prueba diseñada para registrar simultáneamente varias respuestas fisiológicas asociadas al estrés.

Cuando una persona experimenta miedo o ansiedad, el organismo activa el llamado sistema nervioso simpático. El corazón se acelera, aumenta la producción de sudor y los músculos faciales modifican el patrón de parpadeo. Cada una de estas respuestas puede medirse mediante un tipo diferente de sensor.

Hasta ahora.

El equipo colocó tres pequeños sensores de hidrogel sobre el párpado, la palma de la mano y la muñeca de los participantes para registrar al mismo tiempo la actividad ocular (EOG), la actividad electrodérmica producida por el sudor (EDA) y la frecuencia cardíaca (ECG).

En un primer experimento, los voluntarios alternaban periodos de música relajante con sonidos especialmente molestos. Conforme aumentaba el estrés, el sistema registró un incremento del sudor, una aceleración del ritmo cardíaco y un aumento de la frecuencia de parpadeo, lo que permitió distinguir con claridad ambos estados emocionales.

Pero el ensayo más curioso fue el realizado con una persona que se definía a sí misma como aracnofóbica.

Mientras observaba vídeos de arañas, el hidrogel fue registrando continuamente cómo aumentaban los signos fisiológicos propios de la respuesta de lucha o huida: más sudoración, mayor número de parpadeos y un incremento del ritmo cardíaco conforme crecía la ansiedad.

No se trata todavía de un detector de ansiedad listo para utilizarse en hospitales o consultas psicológicas. Sin embargo, los investigadores creen que este tipo de plataformas podría facilitar en el futuro una monitorización objetiva de trastornos relacionados con el estrés, algo especialmente interesante porque hoy gran parte de la evaluación sigue dependiendo de cuestionarios y entrevistas clínicas.

Un hidrogel semiconductor desarrollado por investigadores de la Universidad de Chicago se adapta a los dedos como una segunda piel y mantiene la conductividad necesaria para transmitir señales entre tejidos vivos y dispositivos electrónicos. Cortesía: John Zich / University of Chicago.

También podría ayudar en la rehabilitación neurológica

Las posibilidades del hidrogel no terminan ahí.

Los investigadores quisieron comprobar si un único material era capaz de registrar de manera simultánea señales procedentes del cerebro, los músculos y el movimiento de una articulación, una combinación especialmente útil en rehabilitación neurológica.

Como modelo experimental eligieron el nervio mediano, responsable de gran parte de la sensibilidad y movilidad del pulgar, el índice y el dedo corazón. Lesiones como el síndrome del túnel carpiano o determinadas neuropatías alteran el funcionamiento de este nervio y modifican tanto la actividad muscular como la respuesta cerebral durante movimientos aparentemente sencillos.

Para simular esta situación, los voluntarios realizaron ejercicios de compresión de una pelota mientras el hidrogel registraba a la vez electroencefalogramas (EEG), electromiogramas (EMG) y la deformación del dedo índice mediante sensores de estiramiento fabricados con el mismo material.

Las diferencias entre un movimiento normal y otro que simulaba una alteración nerviosa fueron claramente detectables tanto en la actividad cerebral como en la muscular, lo que sugiere que un sistema integrado como este podría convertirse en una herramienta muy útil para seguir la evolución de pacientes durante procesos de rehabilitación.

Aún le queda recorrer un camino hasta los hospitales

Pese a los prometedores resultados, los propios autores subrayan que el trabajo constituye una prueba de concepto.

Las demostraciones se han realizado con un número muy reducido de participantes y todavía será necesario validar el material mediante estudios clínicos mucho más amplios antes de plantear cualquier aplicación médica o su comercialización. También será preciso comprobar su comportamiento durante semanas o meses de uso continuado, evaluar su fabricación a gran escala y garantizar que mantiene sus propiedades en condiciones muy diversas de temperatura, humedad o actividad física.

Aun así, las perspectivas son muy interesantes.

Su extraordinaria elasticidad, la posibilidad de imprimir sensores personalizados, la capacidad para reutilizar el material y, sobre todo, su habilidad para mantener un contacto estable incluso sobre piel con vello o sudor lo convierten en un candidato muy atractivo para la próxima generación de dispositivos portátiles de monitorización.

🗣️ «Nuestro hidrogel no pretende crear una nueva forma de medir la fisiología humana —dice Abdullah. Y concluye—: Lo que hace es conseguir que las mediciones que ya conocemos sean mucho más fiables en condiciones reales. Aunque todavía queda trabajo antes de llegar al mercado, creemos que este enfoque personalizable y reutilizable representa una dirección muy prometedora para la bioelectrónica portátil frente a los actuales electrodos convencionales».

En un momento en el que la medicina avanza hacia una atención cada vez más personalizada y continua, disponer de sensores capaces de seguir funcionando mientras caminamos, hacemos ejercicio o simplemente sudamos puede parecer un detalle menor. Sin embargo, en bioelectrónica, una mejor conexión entre la piel y el sensor puede marcar la diferencia entre una señal llena de interferencias y otra capaz de ofrecer información fiable sobre el estado de nuestro organismo. Y ese pequeño cambio podría convertirse en uno de los grandes avances de la próxima generación de tecnología médica portátil.▪️(29-julio-2026)

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