Los dispositivos médicos toman consejos de diseño del reino animal

El reino animal se ha beneficiado de millones de años de evolución biológica para adaptar procesos y características para satisfacer necesidades específicas. Utilizando un enfoque conocido como bioinspiración, los científicos e ingenieros están empleando conocimientos de la biología para resolver los desafíos tecnológicos actuales y optimizar el diseño de nuevos materiales, dispositivos y estructuras.

En el campo de la medicina, por ejemplo, los investigadores diseñaron un sistema de imágenes quirúrgicas basado en los asombrosos ojos del camarón mantis, crearon una manta espacial que permite a los usuarios controlar su temperatura imitando las propiedades adaptativas de la piel del calamar y fabricaron un sistema de presión intraocular. Sensor basado en nanoestructuras con propiedades ópticas descubierto por primera vez en las alas de una mariposa.

Y esta semana se publicó dos nuevos estudios de investigación que explotan los conocimientos de la biología en beneficio de la salud humana.

En primer lugar, el pangolín, el único mamífero que está completamente cubierto de escamas duras. Estas escamas se conectan a la piel subyacente, en lugar de entre sí, y se superponen al estilo de una piña, lo que permite al pangolín enroscarse formando una bola cuando se siente amenazado. Y son estas escalas las que inspiraron a Metin Sitti del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes y sus colaboradores para diseñar un robot médico blando en miniatura.

Los robots blandos magnéticos sin ataduras ofrecen la posibilidad de realizar procedimientos médicos mínimamente invasivos dentro del cuerpo. Algún día, estos robots podrían ser guiados por campos magnéticos a regiones de difícil acceso donde luego podrán administrar medicamentos o generar calor. El calentamiento localizado se puede utilizar para detener hemorragias, cortar tejido o incluso extirpar tumores. Sin embargo, la generación remota de calor requiere el uso de materiales metálicos rígidos, que pueden comprometer el cumplimiento y la seguridad de los robots blandos.

"Para abordar este equilibrio inherente entre el calentamiento remoto efectivo a largas distancias y el cumplimiento, observamos cómo los pangolines en la naturaleza aún podían lograr un movimiento flexible y sin trabas a pesar de tener escamas de queratina que son órdenes de magnitud más duras y rígidas que las capas de tejido subyacentes, simplemente organizando las escamas de queratina en una estructura superpuesta”, escriben los investigadores en Nature Communications.

Con esto en mente, Sitti y sus colegas diseñaron y construyeron un robot de 20 x 10 x 0,2 mm que comprende una capa de polímero suave y una capa de elementos metálicos superpuestos inspirada en un pangolín. Al exponer el robot a un campo magnético de baja frecuencia, los investigadores pudieron hacerlo rodar y moverse. Cuando se expuso a un campo magnético de alta frecuencia, el robot entregó calentamiento según demanda (más de 70 °C) a grandes distancias (más de 5 cm) en menos de 30 s.

En experimentos de prueba de concepto con fantasmas de tejido, el equipo demostró que un campo magnético giratorio de 65 mT podría accionar y mover un robot sin ataduras, y que las escalas calefactoras podrían liberar selectivamente la carga asegurada al robot con cera de abejas.

Para evaluar más a fondo el potencial clínico del robot, los investigadores simularon una hemorragia dentro de un estómago de cerdo ex vivo y demostraron que el robot podía navegar hasta el lugar de la hemorragia y utilizar calor para detenerla. También colocaron esferoides tumorales en contacto directo con las escamas calefactoras, que destruyeron los esferoides después de solo 5 minutos de calor a 60 °C.

“Aún quedan muchas preguntas y desafíos técnicos que, aunque son superables, requieren más tiempo y esfuerzo. Estos incluyen la utilidad clínica y la practicidad de implementar estos robots en escenarios clínicos, cuestiones de biocompatibilidad, control y seguimiento”, dice el primer autor Ren Hao Soon. “En mi próximo proyecto, quiero seguir acercando estos robots sin ataduras a la cabecera de la cama. Espero trabajar estrechamente con los médicos para identificar una necesidad médica real para la cual estos robots podrían ser útiles”.

El pulpo de anillos azules es diminuto, de colores vibrantes y uno de los animales marinos más venenosos del mundo. Su picadura perfora el caparazón de su presa y luego libera tetrodotoxina, una neurotoxina paralizante. "El comportamiento depredador del pulpo de anillos azules nos inspiró una estrategia para mejorar la medicación tópica", escribe un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Sichuan y la Universidad de Zhejiang en China.

La medicación tópica intratisular, un método en el que los fármacos se administran a las superficies de los tejidos mediante microagujas, ofrece una acción rápida, una alta biodisponibilidad del fármaco y una invasividad mínima. El enfoque se puede utilizar para inhibir el crecimiento de tumores, por ejemplo, o acelerar la curación. Sin embargo, persisten desafíos, como adherir portadores de fármacos a superficies de tejidos blandos humedecidos por fluidos corporales y controlar la concentración de liberación del fármaco.

Para superar estos obstáculos, el primer autor Zhou Zhu y sus colegas crearon un parche con microagujas que proporciona una sólida adhesión a la superficie del tejido y la administración activa de fármacos por inyección. En un artículo en Science Advances, señalan que las microagujas que liberan fármacos funcionan de una manera "inspirada en los dientes y la secreción de veneno del pulpo de anillos azules".

Los investigadores formaron el parche de microagujas a partir de una mezcla de fibroína de seda y el hidrogel plurónico F127 (seda-Fp), añadiendo hidrogel PNIPAm sensible al calor para permitir la liberación controlada del fármaco. Las microagujas de hidrogel resultantes fueron lo suficientemente fuertes como para penetrar el tejido blando o la barrera mucosa.

Un desafío, particularmente en un ambiente húmedo, es mantener estable el parche sobre la superficie del tejido. Imitando el diseño de las ventosas de los tentáculos del pulpo, el equipo creó una capa base que contenía ventosas de hidrogel e integró las microagujas en su centro. Las ventosas se adhieren al tejido mediante fijación por presión negativa y unión química con proteínas del tejido. Incluso después de largos períodos bajo el agua, el parche de seda-Fp permaneció firmemente en su lugar sobre la superficie del tejido.

Para probar la funcionalidad del parche, los investigadores cargaron las microagujas de seda-Fp con el fármaco antiinflamatorio fosfato sódico de dexametasona (DEX) o el fármaco anticancerígeno 5-fluorouracilo (5-FU) y aplicaron los parches para tratar úlceras orales o tumores superficiales tempranos en animales, respectivamente.

Física de pingüinos

La forma y la fuerza de las microagujas les permitieron perforar la úlcera o el tumor. Después de ingresar al tejido objetivo, las microagujas detectan la temperatura corporal y proporcionan una administración rápida del fármaco en dos horas (a medida que las agujas se encogen y el PNIPAm se transforma de un estado hidrofílico a uno hidrofóbico al calentarse). Durante los dos días siguientes, las microagujas administran gradualmente el fármaco restante para mantener el efecto terapéutico.

Los investigadores descubrieron que el parche de microagujas de seda-Fp podría aumentar la velocidad de curación de las úlceras mediante la liberación de DEX o detener casi por completo el crecimiento del tumor cuando se carga con 5-FU. "Imitando al pulpo de anillos azules que muerde el caparazón de su presa e inyecta saliva tóxica, el Fp MN de seda desarrollado podría inyectar activamente drogas en los tejidos", escriben.