Sensor biomimético de membrana basilar coclear autopropulsado mediante nanogenerador triboeléctrico para selectividad de frecuencia de alta resolución

Antecedentes

En todo el mundo, la hipoacusia neurosensorial surge por edad, exposición a ruido, fármacos ototóxicos y traumatismos, comprometiendo la discriminación de frecuencias y la comunicación diaria. La membrana basilar de la cóclea separa las ondas sonoras por frecuencia y traduce vibraciones mecánicas en impulsos eléctricos que estimulan los nervios auditivos. Los implantes convencionales convierten señales acústicas en pulsos eléctricos mediante un procesador externo y un array de electrodos implantado, pero cargan al paciente con hardware visible y fuentes de energía externas.

Los sensores acústicos micro y nanoescalares recientes han intentado replicar la selectividad coclear usando tecnologías piezoeléctricas o de microhaces, pero sufren de baja tensión de salida, fabricación compleja y cobertura de frecuencia limitada. Los nanogeneradores triboeléctricos (TENG) ofrecen una alternativa convincente, convirtiendo movimiento mecánico en señales eléctricas significativas con complejidad mínima. Su sensibilidad a variaciones de frecuencia los hace ideales para diseñar un sustituto coclear autopropulsado y selectivo en frecuencia.

Métodos/Experimental

El diseño del sensor imita la geometría trapezoidal de la membrana basilar coclear, permitiendo que la frecuencia de resonancia local varíe a lo largo de la membrana. El dispositivo comprende dos placas de acrílico de 120 mm × 60 mm × 4 mm con una ranura trapezoidal central (base 30 mm, línea superior 10 mm, altura 100 mm). Dos membranas de PTFE de 20 µm de espesor, cada una de 120 mm × 60 mm, se posicionan a ambos lados de un espaciador de Kapton de 20 µm, que define un espacio estrecho y establece el umbral de presión acústica. Nueve electrodos de plata de 4 × 8 mm (≈200 nm de espesor) se depositan por sputtering en la superficie superior de PTFE, numerados del #1 (inferior) al #9 (superior). Los electrodos están separados 10 mm en el plano, asegurando interferencia mecánica mínima.

Las respuestas de vibración se midieron con un vibrómetro láser Doppler (LDV) en 100–3000 Hz, mientras que la salida de voltaje triboeléctrico se registró usando un preamplificador y osciloscopio. Un altavoz calibrado entregó ondas acústicas sinusoidales a presiones variables. Simulaciones COMSOL Multiphysics modelaron patrones de desplazamiento de membrana a frecuencias seleccionadas (300 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz) para validar observaciones experimentales.

Diagrama conceptual de la membrana basilar coclear y su estructura trapezoidal.

Resultados y discusión

El aumento de la presión sonora amplificó linealmente tanto la amplitud de vibración en los electrodos #2, #5 y #8 como el voltaje triboeléctrico correspondiente (Fig. 3). Esta linealidad confirma la capacidad del sensor para cuantificar la intensidad acústica mediante lectura eléctrica.

Las pruebas dependientes de frecuencia revelaron picos de resonancia distintos para cada electrodo: el electrodo #2 pico a 200 Hz, #5 a 1030 Hz y #8 a 1850 Hz, con voltajes pico alcanzando 104 mV. El desplazamiento de resonancia hacia electrodos de mayor número con el aumento de frecuencia reproduce la organización tonotópica de la membrana basilar (Fig. 4d). Tanto los espectros de amplitud de vibración como de voltaje de salida se superponen estrechamente, subrayando la eficiencia de transducción mecánico-eléctrica dual del sensor.

Las simulaciones COMSOL (Fig. 5) demostraron que el desplazamiento máximo de la membrana de PTFE se mueve desde la base hacia la línea superior a medida que aumenta la frecuencia, corroborando los hallazgos experimentales. El mecanismo triboeléctrico opera por electrificación de contacto entre el PTFE superior y el PTFE inferior recubierto de plata bajo presión sonora, seguida de inducción electrostática al separarse las membranas, generando pulsos de voltaje medibles (Fig. 6).

Arquitectura del dispositivo: (a) vista 3D de componentes clave; (b) vista superior con numeración de electrodos.

Relación entre presión acústica y (a) amplitud de vibración, (b) voltaje triboeléctrico.

Respuesta en frecuencia de electrodos #2, #5 y #8: amplitud de vibración (negro) y voltaje triboeléctrico (rojo). (d) Frecuencia de resonancia vs. número de electrodo.

Simulación COMSOL del desplazamiento de membrana de PTFE a 300 Hz, 1000 Hz y 2000 Hz.

Principio de funcionamiento: (a) estado de reposo, (b) estado de contacto bajo sonido, (c) estado de separación generando voltaje.

Conclusiones

Hemos demostrado un sustituto coclear autopropulsado y selectivo en frecuencia que replica la mecánica de la membrana basilar usando una membrana de PTFE trapezoidal integrada con un nanogenerador triboeléctrico. El array de nueve electrodos proporciona picos de resonancia distintos en el rango audible, permitiendo discriminación precisa de frecuencia. Resultados experimentales y de elementos finitos confirman que la amplitud de vibración local y el voltaje triboeléctrico pico en frecuencias correspondientes, imitando la tonotopía coclear. Esta plataforma de bajo costo, lista para implante, ofrece una alternativa prometedora para tratar la hipoacusia neurosensorial sin necesidad de energía externa ni hardware voluminoso.

Abreviaturas

LDV

Sistema de medición de vibrómetro láser Doppler

PM

Membrana de politetrafluoroetileno

PTFE

Politetrafluoroetileno

TENG

Nanogenerador triboeléctrico