Un equipo de investigadores dirigido por el profesor de ingeniería biomédica Sam Sia en Columbia Engineering ha desarrollado una forma de fabricar máquinas de tamaño microescala a partir de biomateriales que se pueden implantar de forma segura en el cuerpo. Trabajar con hidrogeles, que son materiales biocompatibles que los ingenieros han estado estudiandoDurante décadas, Sia ha inventado una nueva técnica que apila el material blando en capas para fabricar dispositivos que tienen partes tridimensionales que se mueven libremente. El estudio, publicado en línea el 4 de enero de 2017, en Ciencia robótica , demuestra un método de fabricación rápido que Sia llama "sistemas microelectromecánicos implantables" iMEMS.
Aprovechando las propiedades mecánicas únicas de los hidrogeles, los investigadores desarrollaron un "mecanismo de bloqueo" para la activación y el movimiento precisos de las piezas que se mueven libremente, que puede proporcionar funciones como válvulas, colectores, rotores, bombas y administración de fármacos. Pudieronpara sintonizar los biomateriales dentro de una amplia gama de propiedades mecánicas y de difusión y para controlarlos después de la implantación sin una fuente de alimentación sostenida, como una batería tóxica. Luego probaron la entrega de "carga útil" en un modelo de cáncer de hueso y descubrieron que la activación de la liberaciónde doxorrubicina del dispositivo durante 10 días mostró una alta eficacia de tratamiento y baja toxicidad, a 1/10 de la dosis de quimioterapia sistémica estándar.
"En general, nuestra plataforma iMEMS permite el desarrollo de microdispositivos implantables biocompatibles con una amplia gama de intrincados componentes móviles que se pueden controlar de forma inalámbrica bajo demanda y resuelve problemas de biocompatibilidad y alimentación del dispositivo", dice Sia, también miembro del Data Science Institute. "Estamos realmente entusiasmados con esto porque hemos podido conectar el mundo de los biomateriales con el de los dispositivos médicos complejos y elaborados. Nuestra plataforma tiene una gran cantidad de aplicaciones potenciales, incluido el sistema de administración de medicamentos demostrado en nuestro artículo queestá relacionado con el suministro de dosis de fármacos personalizadas para la medicina de precisión ".
La mayoría de los microdispositivos implantables actuales tienen componentes estáticos en lugar de partes móviles y, debido a que requieren baterías u otros dispositivos electrónicos tóxicos, tienen una biocompatibilidad limitada. El equipo de Sia pasó más de ocho años trabajando para resolver este problema. "Es difícil trabajar con hidrogeles, ya que son suaves y no son compatibles con las técnicas de mecanizado tradicionales ", dice Sau Yin Chin, autor principal del estudio que trabajó con Sia." Hemos ajustado las propiedades mecánicas y hemos ajustado cuidadosamente la rigidez de las estructuras que entran en contacto entre sí.Los engranajes que se enclavan deben ser rígidos para permitir la transmisión de fuerza y resistir la activación repetida. Por el contrario, las estructuras que forman los mecanismos de bloqueo deben ser suaves y flexibles para permitir que los engranajes se deslicen durante el accionamiento, mientras queal mismo tiempo, tienen que ser lo suficientemente rígidos para mantener los engranajes en su lugar cuando el dispositivo no está accionado. También estudiamos las propiedades de difusión delhidrogeles para garantizar que los fármacos cargados no se difundan fácilmente a través de las capas de hidrogel ".
El equipo usó luz para polimerizar láminas de gel e incorporó una mecanización paso a paso para controlar el eje zy modelar las láminas capa por capa, dándoles tridimensionalidad. El control del eje z permitió a los investigadores crear estructuras compuestas dentro de unacapa del hidrogel mientras administraban el grosor de cada capa durante todo el proceso de fabricación. Pudieron apilar múltiples capas que están alineadas con precisión y, debido a que podían polimerizar una capa a la vez, una después de la otra, se construyó la estructura complejaen menos de 30 minutos.
La técnica iMEMS de Sia aborda varias consideraciones fundamentales en la construcción de microdispositivos, micromáquinas y microrobots biocompatibles: cómo alimentar pequeños dispositivos robóticos sin usar baterías tóxicas, cómo fabricar pequeños componentes móviles biocompatibles que no sean de silicio, lo que tiene una biocompatibilidad limitada y cómo comunicarse.de forma inalámbrica una vez implantado los microelectrónicos de radiofrecuencia requieren energía, son relativamente grandes y no son biocompatibles. Los investigadores pudieron activar el dispositivo iMEMS para liberar cargas útiles adicionales durante días o semanas después de la implantación. También pudieron lograr una actuación precisa mediante el uso defuerzas magnéticas para inducir movimientos de engranajes que, a su vez, doblan vigas estructurales hechas de hidrogeles con propiedades altamente ajustables las partículas de hierro magnético se utilizan comúnmente y están aprobadas por la FDA para uso humano como agentes de contraste.
En colaboración con Francis Lee, cirujano ortopédico del Centro Médico de la Universidad de Columbia en el momento del estudio, el equipo probó el sistema de administración de fármacos en ratones con cáncer de hueso. El sistema iMEMS administró quimioterapia adyacente al cáncer y limitó el crecimiento del tumormientras que muestra menos toxicidad que la quimioterapia administrada en todo el cuerpo.
"Estos componentes a microescala se pueden usar para sistemas microelectromecánicos, para dispositivos más grandes que van desde la administración de medicamentos hasta catéteres, marcapasos cardíacos y robótica suave", señala Sia. "La gente ya está fabricando tejidos de reemplazo y ahora podemos fabricar pequeños dispositivos implantables,sensores o robots con los que podemos hablar de forma inalámbrica. Nuestro sistema iMEMS podría acercar el campo un paso más al desarrollo de robots miniaturizados blandos que puedan interactuar de forma segura con humanos y otros sistemas vivos ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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