Un trozo regordete de muslo de pollo fresco de granja descansaba sobre una superficie prístina en la Facultad de Medicina de Harvard. Con piel y hueso, se cortó con precisión para apenas romper el hueso.
Un brazo robótico se desvió, escaneó la rotura e inyectó con cuidado un cóctel líquido de ingredientes en la grieta, incluidos algunos aislados de algas marinas. Con varios pulsos de ultrasonido, el líquido se endureció hasta convertirse en un material parecido a un hueso y selló la fractura.
Esta no fue una cena con espectáculo de vanguardia. Más bien, fue un experimento innovador para ver si algún día el ultrasonido se puede utilizar para imprimir implantes en 3D directamente dentro de nuestro cuerpo.
Dirigido por el Dr. Yu Shrike Zhang del Hospital Brigham and Women's y de la Facultad de Medicina de Harvard, un estudio reciente combinó las propiedades únicas del ultrasonido y la impresión 3D para reparar el tejido dañado. En el corazón de la tecnología se encuentra una mezcla de sustancias químicas que se gelifican en respuesta a ondas sónicas, un brebaje denominado "tinta sono".
En una prueba, el equipo imprimió en 3D una forma de hueso caricaturesca dentro de un trozo grande de panceta de cerdo aislada, y el ultrasonido penetró fácilmente en capas de piel y tejido grasos. La tecnología también creó estructuras parecidas a una colmena dentro de hígados de cerdo aislados y una forma de corazón en los riñones.
Puede sonar macabro, pero el objetivo no es imprimir emojis en 3D dentro de tejido vivo. Más bien, es posible que algún día los médicos utilicen ultrasonido y tinta sono para reparar directamente los órganos dañados dentro del cuerpo como una alternativa a la cirugía invasiva.
Como prueba de concepto, el equipo utilizó tinta sonora para reparar una región rota de un corazón de cabra aislado. Después de algunas ráfagas de ultrasonido, el parche resultante se gelificó y se mezcló perfectamente con el tejido cardíaco circundante, convirtiéndose esencialmente en un vendaje biocompatible y elástico.
En otra prueba se cargó la tinta sono con un fármaco de quimioterapia y se inyectó el brebaje en un hígado dañado. En cuestión de minutos, la tinta liberó el fármaco en las áreas lesionadas, preservando la mayoría de las células sanas circundantes.
La tecnología ofrece una forma de convertir las cirugías abiertas en tratamientos menos invasivos. escribí Dres. Yuxing Yao y Mikhail Shapiro del Instituto de Tecnología de California, que no participaron en el estudio. También podría usarse para imprimir interfaces cuerpo-máquina que respondan al ultrasonido, fabricar dispositivos electrónicos flexibles para lesiones cardíacas o administrar de manera eficiente medicamentos contra el cáncer directamente a la fuente después de la cirugía para limitar los efectos secundarios.
"Todavía estamos lejos de llevar esta herramienta a la clínica, pero estas pruebas reafirmaron el potencial de esta tecnología", dijo Zhang. "Estamos muy emocionados de ver hacia dónde puede llegar a partir de ahora".
De la luz al sonido
Gracias a su versatilidad, la impresión 3D ha capturado la imaginación de los bioingenieros cuando se trata de construir partes biológicas artificiales-por ejemplo, stents para enfermedades cardíacas potencialmente mortales.
El proceso suele ser iterativo. Una impresora 3D de inyección de tinta, similar a una impresora de oficina, rocía una capa delgada y la "cura" con luz. Esto solidifica la tinta líquida y luego, capa por capa, la impresora construye una estructura completa. Sin embargo, la luz sólo puede iluminar la superficie de muchos materiales, lo que hace imposible generar una estructura 3D completamente impresa de una sola vez.
El nuevo estudio recurrió a la impresión volumétrica, donde una impresora proyecta luz en un volumen de resina líquida, solidificando la resina en la estructura del objeto y listo, el objeto se construye completo.
El proceso es mucho más rápido y produce objetos con superficies más lisas que la impresión 3D tradicional. Pero está limitado por la distancia que la luz puede atravesar a través de la tinta y el material circundante (por ejemplo, la piel, los músculos y otros tejidos).
Aquí es donde entra en juego el ultrasonido. Más conocido por el cuidado materno, los niveles bajos de ultrasonido penetran fácilmente las capas opacas, como la piel o los músculos, sin causar daño. Los investigadores están explorando la tecnología llamada ultrasonido enfocado para monitorear y estimular el cerebro y otros tejidos.
Tiene inconvenientes. Las ondas sonoras se vuelven borrosas cuando viajan a través de líquidos, que abundan en nuestro cuerpo. Acostumbrados a imprimir estructuras en 3D, las ondas sonoras podrían generar una abominación del diseño original. Para construir una impresora 3D acústica, el primer paso fue rediseñar la tinta.
Una receta sólida
El equipo experimentó primero con diseños de tinta que curan con ultrasonido. La receta que se les ocurrió es una sopa de moléculas. Algunos se solidifican cuando se calientan; otros absorben ondas sonoras.
La tinta sono se transforma en un gel en tan solo unos minutos después de los pulsos de ultrasonido.
El proceso es autopropulsado, explicaron Yao y Shapiro. El ultrasonido desencadena una reacción química que genera calor que se absorbe en el gel y acelera el ciclo. Debido a que la fuente de ultrasonido está controlada por un brazo robótico, es posible enfocar las ondas sonoras con una resolución de un milímetro, un poco más gruesa que una tarjeta de crédito promedio.
El equipo probó múltiples recetas de tinta sono y estructuras simples impresas en 3D, como un engranaje multicolor de tres piezas y estructuras que brillan en la oscuridad y se asemejan a vasos sanguíneos. Esto ayudó al equipo a sondear los límites del sistema y explorar usos potenciales: un implante fluorescente impreso en 3D, por ejemplo, podría ser más fácil de rastrear dentro del cuerpo.
Éxito sonoro
A continuación, el equipo se centró en órganos aislados.
En una prueba, inyectaron tinta sono en un corazón de cabra dañado. Una condición similar en humanos puede provocar coágulos sanguíneos mortales y ataques cardíacos. El tratamiento común es la cirugía a corazón abierto.
Aquí, el equipo infundió tinta sono directamente en el corazón de la cabra a través de los vasos sanguíneos. Con pulsos de ultrasonido enfocados con precisión, la tinta se gelificó para proteger la región dañada, sin dañar las partes vecinas, y se conectó con los propios tejidos del corazón.
En otra prueba, inyectaron tinta en una fractura de hueso de una pierna de pollo y reconstruyeron el hueso "con una unión perfecta a las partes nativas", escribieron los autores.
En una tercera prueba, mezclaron doxorrubicina, un fármaco de quimioterapia que se utiliza a menudo en el cáncer de mama, con la tinta sono y la inyectaron en partes dañadas de un hígado de cerdo. Con ráfagas de ultrasonido, la tinta se depositó en las regiones dañadas y liberó gradualmente el fármaco en el hígado durante la semana siguiente. El equipo cree que este método podría ayudar a mejorar el tratamiento del cáncer después de la extirpación quirúrgica de los tumores, explicaron.
El sistema es sólo un comienzo. La sono-ink aún no se ha probado dentro de un cuerpo vivo y podría provocar efectos tóxicos. Y aunque el ultrasonido es generalmente seguro, la estimulación puede aumentar la presión de las ondas sonoras y calentar los tejidos hasta 158 grados Fahrenheit. Para Yao y Shapiro, estos desafíos pueden guiar la tecnología.
La capacidad de imprimir rápidamente materiales 3D blandos abre la puerta a nuevas interfaces cuerpo-máquina. Los parches de órganos con dispositivos electrónicos integrados podrían respaldar la atención a largo plazo de personas con enfermedades cardíacas crónicas. El ultrasonido también podría estimular la regeneración de tejidos en partes más profundas del cuerpo sin cirugía invasiva.
Dejando a un lado las aplicaciones biomédicas, la sono-ink podría incluso causar sensación en nuestro mundo cotidiano. Los zapatos impresos en 3D, por ejemplo, ya han entrado en el mercado. Es posible que “las zapatillas para correr del futuro puedan imprimirse con el mismo método acústico que repara los huesos”, escribieron Yao y Shapiro.
Crédito de imagen: Alex Sánchez, Universidad de Duke; Junjie Yao, Universidad de Duke; Y. Alcaudón Zhang, Facultad de Medicina de Harvard
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