10 avances de la Nanotecnología que debe conocer (2018)

Última Actualización en: septiembre 29, 2018

La nanotecnología ha sido aclamada como la próxima gran cosa durante décadas, pero sólo ahora se está convirtiendo realmente en una realidad en el espacio de los dispositivos médicos.

El término nanotecnología se remonta a la década de 1980, cuando fue acuñado por el ingeniero estadounidense Eric Drexler. En las últimas décadas, la nanotecnología ha encontrado un número cada vez mayor de aplicaciones en todo, desde la informática hasta los textiles. Queda por ver hasta qué punto la nanotecnología reformará la medicina, pero los avances de la nanotecnología se anuncian continuamente.

Le preguntamos a Roger Narayan, PhD, profesor del Departamento Conjunto de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Carolina del Norte y la Universidad Estatal de Carolina del Norte (Chapel Hill y Raleigh, respectivamente), sobre las áreas que él y su equipo han estado examinando, para obtener una vista previa de lo que la próxima generación de graduados podría aportar a la fiesta. También hablamos con Chris Folk, ingeniero principal del Grupo de Estrategia de Dispositivos de Amgen Inc. (Thousand Oaks, CA), para obtener su opinión sobre otras áreas que merecen ser observadas.

“Nos estamos centrando en dos actividades”, dijo Narayan, “crecimiento de película delgada para aplicaciones de dispositivos médicos e impresión en 3-D a pequeña escala”. Estamos examinando la deposición de películas delgadas de cerámica en dispositivos médicos usando deposición láser pulsada, deposición química de vapor y deposición de capas atómicas.

“Hemos estudiado el uso de la deposición de capas atómicas para cultivar películas de óxido de titanio y óxido de zinc de forma conformada en superficies nanoestructuradas para su uso en dispositivos médicos. Además, hemos utilizado la deposición química de vapor para cultivar un material de carbono duro conocido como diamante ultrananocristalino en superficies nanoestructuradas”. Dijo Narayan. “Esto también es para uso en dispositivos médicos. Estamos examinando el procesamiento de muchos tipos de dispositivos médicos, incluidas las microagujas, tanto para la administración de fármacos como para la detección biológica”.

“Creo que es un momento muy interesante. En términos de nanotecnología médica hay cambios que están ocurriendo”, dijo Folk. “En cuanto a la administración de medicamentos, se están construyendo nuevas plataformas. Generalmente, hay nuevas formas de interactuar con el cuerpo. Hay muchos desafíos en este momento. Creo que hay más oportunidades para la innovación y más inercia positiva en el pensamiento creativo de lo que hemos visto en mucho tiempo, así que estoy emocionado”.

“Miro los dispositivos en sí mismos”, dijo Folk. “Muchos de ellos se están haciendo más pequeños. Hay un montón de formas diferentes en las que la nanotecnología está siendo involucrada. Hay mucho que hacer en términos de vestimenta, y en los espacios cardiovasculares y de diagnóstico”.

Aquí hay 10 avances de la nanotecnología recientes que podrían ser comercializados en un futuro relativamente cercano.

1. La nanotecnología se encuentra con las lentes de contacto y la realidad virtual

La nanotecnología podría acabar dando solución a la necesidad de auriculares voluminosos en entornos de realidad virtual, y la respuesta implica el uso de lentes de contacto.

Innovega, con sede en Bellevue, WA, con su plataforma iOptik, incorporó un filtro central y una lente de visualización en el centro de una lente de contacto. Los elementos ópticos son más pequeños que la pupila del ojo y por lo tanto no interfieren con la visión. Un proyector puede golpear esos elementos ópticos diminutos, que guían las imágenes hacia la retina. Pero la retina todavía está recibiendo la visión normal general proporcionada a través de toda la pupila, por lo que el cerebro termina viendo las imágenes proyectadas y el campo de visión normal general como uno solo.

La compañía dijo que su plataforma iOptik proporciona a los usuarios un “lienzo virtual” en el que se puede ver cualquier medio o ejecutar cualquier aplicación. Los prototipos tendrán hasta seis veces el número de píxeles y 46 veces el tamaño de la pantalla de los productos móviles que dependen de diseños limitados por la óptica convencional. Se dice que estas ópticas ofrecen juegos, entornos de simulador y películas que son verdaderamente “inmersivas” y “imitan el rendimiento IMAX”, dijo la compañía.

La electrónica está integrada en un elegante par de gafas sin el volumen o el peso de los enfoques tradicionales de las gafas de vídeo y RV. La configuración también puede mostrar un panel de control multitarea que incorpora cinco o más pantallas típicas, al tiempo que proporciona al usuario una visión clara y segura de su entorno.

El iOptik será regulado en los Estados Unidos como un dispositivo médico de Clase II, como lo son las lentes de contacto normales.

Se rumorea que Google está desarrollando un dispositivo médico. ¿Podría ser una nueva generación de Google Glass que utiliza la nanotecnología en lentes de contacto?

2. Un Detector Nanotecnológico para Ataques Cardíacos

Los nano-sensores que detectan los ataques cardíacos antes de que ocurran podrían salvar vidas y dinero.

Eso es exactamente en lo que Eric Topol, MD, de Scripps Health, con sede en San Diego, ha estado trabajando con Axel Scherer, PhD, de Caltech. Su tecnología involucra diminutos chips nanosensores del torrente sanguíneo que podrían detectar el precursor de un ataque cardíaco. Una persona con un chip tan pequeño podría recibir una advertencia en su smartphone u otro dispositivo inalámbrico de que debe consultar inmediatamente a su cardiólogo.

Las últimas versiones del chip miden 90 micras, mucho más pequeñas que un grano de arena. Un médico o enfermera podría inyectar el nanosensor en el brazo del paciente, donde fluiría hasta la punta distal del dedo y se incrustaría, examinando la sangre en busca de células endoteliales que se desprenden de la pared de una arteria en un período precursor anterior a un ataque cardíaco.

Los sensores se utilizan ahora para la detección de glucosa en estudios en animales. Los ensayos en humanos deben seguir a partir de entonces.

La combinación de un nanosensor y un teléfono inteligente acoplado podría utilizarse para rastrear enfermedades autoinmunes y cáncer. También se puede utilizar para detectar el rechazo en pacientes con trasplantes de órganos. En esta aplicación, el nanosensor podría calibrarse para detectar el ADN del órgano donante en la sangre, el cual comenzaría a aparecer en la sangre como una señal temprana de rechazo.

3. El silicio negro inspirado en la libélula combate las bacterias

Una variedad de superficies de antibióticos se pueden encontrar en el mundo natural, inspirando a los científicos a desarrollar versiones hechas por el hombre de ellos. Un ejemplo reciente de esta tendencia se puede encontrar en la investigación de científicos australianos y españoles que han desarrollado un nanomaterial a partir de silicio negro con pequeñas puntas en su superficie. La geometría de la superficie del material es similar a la de las alas de una libélula australiana conocida como la “perca errante”, cuyas alas tienen pequeñas espigas que inhiben el crecimiento bacteriano.

En el laboratorio, los científicos confirmaron que el material de silicio negro demostró ser efectivo contra una serie de bacterias Gram-negativas y Gram-positivas, así como contra endosporas. Los investigadores informan que el descubrimiento es la primera “actividad bactericida física de[silicio negro] o, de hecho, para cualquier superficie hidrófila”.

4. Pequeñas baterías impresas en 3D

Investigadores de la Universidad de Harvard y de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign anunciaron el año pasado que han descubierto cómo imprimir en 3-D baterías miniatura de aproximadamente 1 mm de diámetro.

Los investigadores, dirigidos por Jennifer A. Lewis, PhD, de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard, crearon y probaron materiales, o “tintas”, capaces de funcionar como materiales electroquímicamente activos. Los materiales también tenían que endurecerse en capas de la manera correcta para que pudieran apilarse en capas durante la impresión tridimensional, creando ánodos y cátodos de trabajo.

La receta incluye tinta para el ánodo con nanopartículas de un compuesto de óxido de litio y una tinta para el cátodo de “nanopartículas de otro”. La impresora coloca la tinta sobre los dientes de dos peines de oro para crear una pila de ánodos y cátodos estrechamente entrelazados. Toda la instalación se empaqueta en un pequeño recipiente y se llena con una solución electrolítica para completar la batería.

Las pequeñas baterías podrían ser un cambio de juego para la industria de dispositivos médicos, encontrando uso en aplicaciones tales como sensores biomédicos y dispositivos de monitoreo basados en la piel. Además, se pueden incrustar en la carcasa de plástico de dispositivos como los audífonos.

Narayan dice que él y su equipo están explorando los límites de la impresión en 3D. “Usando una técnica de impresión en 3-D conocida como polimerización de dos fotones, hemos creado dispositivos médicos a pequeña escala tales como dispositivos de entrega de medicamentos y biosensores.” También han desarrollado un fotoiniciador biocompatible que contiene riboflavina para la polimerización por dos fotones de andamiajes de ingeniería tisular.

La polimerización de dos fotones utiliza láseres que abrillantan dos haces de longitud de onda diferentes en un material sensible. En el punto de intersección de las vigas, el material se polimeriza. Entonces el material residual puede ser lavado. Narayan continúa diciendo: “Creo que más materiales biocompatibles para la impresión en 3-D, particularmente para procesos como la estereolitografía, la microeolitografía y la polimerización con dos fotones, facilitarán un uso más amplio de estas tecnologías para la producción comercial de dispositivos médicos”.

5. Revolucionando la cirugía ocular

Los científicos del Multi-Scale Robotics Lab de ETH Zürich han desarrollado un diminuto microbot guiado magnéticamente diseñado para ser incrustado en el ojo para realizar cirugías de precisión o para desplegar cantidades precisas de fármacos. Los investigadores demostraron la viabilidad de la tecnología en pruebas en conejos.

Los robots utilizados en el procedimiento tienen un diámetro de 285 µm. Los microbots magnéticos se alimentan mediante campos magnéticos externos. Conocidos como OctoMag, los robots pueden producir fuerzas y pares magnéticos en tres dimensiones. El robot es tan pequeño que podría utilizarse para ayudar a disolver coágulos en los vasos del ojo.

El tamaño de los microrobots autónomos ha estado históricamente limitado por los motores y los dispositivos de propulsión. El OctoMag evita este requisito utilizando un sistema de control magnético externo que puede guiar un dispositivo de inyección de aguja dentro del ojo, eliminando la necesidad de abrir el ojo.

En un horizonte más cercano, Folk dice: “Hay una gran compañía llamada Replenish Inc. [Pasadena, CA] que tiene una microbomba implantable. Se coloca justo detrás del ojo y con el tiempo libera este medicamento. Y lo increíble de su tecnología es que han integrado sensores, bombas y tecnología inalámbrica, todo ello en algo del tamaño de dos cuartos apilados. Ya han hecho su primera en el hombre – lo colocaron detrás del ojo, y liberaron las drogas con el tiempo”.

6. Chips superflexibles que pueden rodear una hebra de cabello

Los científicos suizos han creado chips electrónicos basados en la nanotecnología que son tan flexibles que se pueden enrollar alrededor de una hebra de cabello. Con sede en ETH Zürich, los investigadores pudieron lograr esta hazaña creando finas capas de polivinilo apilado que están cubiertas con un circuito electrónico. Cuando se sumergen en agua, dos de las capas de polivinilo se disuelven, dejando un pequeño circuito incrustado en una lámina de parileno de un micrómetro de espesor. Los investigadores encontraron que los transistores aún funcionan cuando se envuelven alrededor de un cabello humano. La electrónica flexible puede adherirse a una amplia gama de materiales. Potencialmente adecuado para prendas de vestir y toda una gama de aplicaciones médicas, el chip ya se ha utilizado en un ojo artificial y en un monitor de glaucoma.

Folk dice: “Todo el espacio vestible, ya sabes, la FDA ofrece una guía buena y clara sobre las aplicaciones para el teléfono. Donde estamos ahora mismo, los vestibles son generalmente una combinación de acelerómetros, giroscopios y brújulas. Esta es la tecnología actual; gran parte de ella está determinada por el precio. En realidad hay mucho más que puedes hacer, en términos de medir las cosas de una manera mucho más sensible, pero estamos esperando a que baje el precio”.

“Los vestibles son el área de la que todos hablan ahora”, dijo Folk. “Hay cierto cinismo comprensiblemente, pero creo que las capacidades de los vestibles van a aumentar rápidamente. Además, hay muchas tecnologías que han estado incubando durante mucho tiempo. Creo que empezaremos a verlos aquí en el transcurso de los próximos años. Algunas cosas realmente geniales y diferentes están en camino. Creo que es un área de tremenda innovación en este momento: Creo que es muy emocionante”.

7. Creación de electrodos biodegradables

Chris Bettinger y Jay Whitacre, de la Universidad Carnegie Mellon, descubrieron que la tinta de sepia proporciona la química y nanoestructura adecuadas para alimentar dispositivos electrónicos diminutos e ingeridos.

Bettinger, profesor asistente de ciencias de los materiales e ingeniería biomédica, y Whitacre, profesor asociado de ciencias de los materiales e ingeniería, han sido pioneros en la búsqueda de sustancias de las pilas que puedan ser digeridas, permitiendo la alimentación de dispositivos médicos que también puedan ser consumidos. Ellos reportaron cierto éxito en la creación de fuentes de energía comestibles usando materiales que se encuentran en una dieta diaria, pero aún así necesitaban encontrar los ánodos óptimos basados en pigmentos para incluirlos en sus baterías de iones de sodio comestibles.

Terminaron descubriendo que las melaninas naturales derivadas de la tinta de sepia exhiben una mayor capacidad de almacenamiento de carga en comparación con otros derivados sintéticos de la melanina cuando se utilizan como materiales de ánodos.

Pero no todo lo que se traga un paciente necesita ser digerible. “Usted sabe, cualquiera que haya tomado un medicamento en su vida probablemente no se ha adherido exactamente a lo que dice la receta, o lo que dice el médico, así que la adherencia es un tema muy importante en la industria”, dice Folk. “Proteus Digital Health[Redwood City, CA] es una compañía muy interesante. Tienen una píldora con una fuente de alimentación, un sensor y un transmisor. Y cuando te tragas la píldora, el ácido estomacal arranca de la batería e inicia una señal. Eso indica que realmente has tomado la droga”.

8. Aplicaciones nanotecnológicas para el cáncer

Las nanopartículas han demostrado ser útiles para administrar terapias contra el cáncer.

Los científicos de la Universidad de Cornell, por ejemplo, fueron capaces de introducir pequeñas partículas de aleación de oro en el torrente sanguíneo y en las células cancerosas, donde pueden ser calentadas para matarlas. Los científicos de Cornell eligieron el oro, el número 79 de la Tabla Periódica, por la facilidad con que absorbe el calor infrarrojo. Los investigadores descubrieron cómo unir el oro a los anticuerpos que buscan células cancerosas colorrectales y que entregaban el oro a las células cancerosas.

“Es una solución muy, muy, muy fresca y elegante”, dice Folk, “pero el oro es bastante inerte, así que, ¿qué pasa después? ¿Cómo se extrae el oro del cuerpo y con qué órganos está interactuando? Tienes que mirar el ciclo completo.”

Mientras tanto, los ingenieros químicos del MIT han diseñado nanopartículas que transportan el medicamento contra el cáncer doxorrubicina, así como cadenas cortas de ARN que pueden bloquear uno de los genes que las células cancerosas usan para escapar del medicamento. Los investigadores del MIT estaban buscando maneras de tratar una forma especialmente agresiva de cáncer de mama.

9. Mata-gérmenes de plata

Las nanopartículas de plata se utilizan cada vez más en todo, desde cepillos de dientes autodesinfectantes hasta ropa. Eventualmente se puede usar en la pasta de dientes.

La capacidad de las partículas diminutas de plata para matar bacterias se conoce desde hace algún tiempo, aunque la investigación parece ser ligera en cuanto a si la plata también conlleva riesgos para la salud.

CBC/Radio-Canadá informa que el Wilson Center, con sede en Washington, D.C., cuenta con alrededor de 400 productos que actualmente utilizan nanopartículas de plata.

10. Alcoholimetro que usa Nanotecnología para Diabéticos

Investigadores de la Universidad Western New England han desarrollado un prototipo de alcoholímetro de nanotecnología que puede detectar los niveles de acetona en el aliento, el cual está teorizado para correlacionarse con los niveles de glucosa en la sangre. La tecnología, si se comercializa, podría eliminar la necesidad de realizar pruebas de azúcar en la sangre con los dedos.

La capacidad de detectar la acetona en la respiración se deriva de películas poliméricas sensibles a la acetona, nanométricas y gruesas. La exposición a la acetona hace que los dos polímeros de las películas se entrecrucen, cambiando su naturaleza físico-química.

El prototipo del alcoholímetro es aproximadamente del tamaño de un libro. Los investigadores están trabajando en la reducción de la tecnología para producir un alcoholímetro de tamaño similar a los utilizados por la policía para detectar los niveles de alcohol en sangre.

El diseño del alcoholímetro de los investigadores de la Western New England University es inicialmente del tamaño de un libro. Científicos de la Technische Universität Dresden (Alemania) y de la Fraunhofer Electron Beam and Plasma Technology FEP están trabajando actualmente en un espectrómetro de análisis de la respiración que es tan pequeño que puede caber en un teléfono móvil.

Narayan dijo que el equipo publicó recientemente un artículo sobre el uso de una combinación de polimerización de dos fotones y micromoldeo para fabricar barbas a pequeña escala para la unión de tejidos”. Estamos trabajando con varias empresas en la comercialización de tecnologías de impresión en 3D y en el procesamiento de dispositivos médicos a pequeña escala. En general, esperamos que estos esfuerzos conduzcan a nuevas tecnologías para el procesamiento de dispositivos médicos que ofrezcan una mejor funcionalidad y una vida útil más larga que los dispositivos actuales”, dijo Narayan.

La gente hablaba de las trampas de la visión de túnel. “Si no tienes una visión amplia, es muy difícil ver qué más está pasando. Los capitalistas de riesgo y la gente así, tienen una visión amplia, pero están buscando oportunidades de inversión, y no siempre en los creadores de tecnología”, dijo Folk.

Una cosa en la que los diseñadores de dispositivos médicos deben pensar, dijo Folk, es la intersección de diferentes tecnologías. “Creo que una de las áreas más interesantes a considerar, que creo que también es una de las más difíciles, es mirar y anticiparse a las intersecciones”, dijo. “Si tengo una tecnología que me entusiasma, cuando la publique en dos o tres años, ¿cómo va a interactuar eso con las otras cosas que están sucediendo en el mundo al mismo tiempo?

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