Una forma más fácil de retirar dispositivos médicos

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Aprovechando un fenómeno que provoca fracturas en el metal, los investigadores del MIT han diseñado dispositivos médicos que podrían usarse dentro del cuerpo como stents, grapas o depósitos de medicamentos, y luego descomponerse de manera segura cuando ya no sean necesarios.

Los investigadores demostraron que los dispositivos biomédicos fabricados con aluminio se pueden desintegrar exponiéndolos a un metal líquido conocido como galio-indio eutéctico (EGaIn). En la práctica, esto podría funcionar pintando el líquido sobre las grapas utilizadas para mantener unida la piel, por ejemplo, o administrando micropartículas de EGaIn a los pacientes.

Según los investigadores, desencadenar la desintegración de dichos dispositivos de esta manera podría eliminar la necesidad de procedimientos quirúrgicos o endoscópicos para extraerlos.

"Es un fenómeno realmente dramático que se puede aplicar a varios entornos", dice Giovanni Traverso, profesor asistente de desarrollo profesional Karl van Tassel de ingeniería mecánica en el MIT y gastroenterólogo en el Brigham and Women's Hospital. "Lo que esto permite, potencialmente, es la capacidad de tener sistemas que no requieran una intervención como una endoscopia o un procedimiento quirúrgico para la extracción de dispositivos".

Traverso es el autor principal del estudio, que aparece en Advanced Materials. Vivian Feig, postdoctorada del MIT, es la autora principal del artículo.

Rompiendo metales

Durante varios años, el laboratorio de Traverso ha estado trabajando en dispositivos ingeribles que podrían permanecer en el tracto digestivo durante días o semanas, liberando medicamentos según un cronograma específico.

La mayoría de esos dispositivos están hechos de polímeros, pero recientemente los investigadores han estado explorando la posibilidad de utilizar metales, que son más fuertes y duraderos. Sin embargo, uno de los desafíos de la entrega de dispositivos metálicos es encontrar una manera de eliminarlos una vez que ya no sean necesarios.

Para crear dispositivos que pudieran descomponerse según demanda dentro del cuerpo, el equipo del MIT se inspiró en un fenómeno conocido como fragilización del metal líquido. Este proceso ha sido bien estudiado como una fuente de fallas en estructuras metálicas, incluidas las de zinc y acero inoxidable.

"Se sabe que ciertas combinaciones de metales líquidos pueden llegar a los límites de grano de los metales sólidos y causar que se debiliten y fallen dramáticamente", dice Feig. "Queríamos ver si podíamos aprovechar ese conocido mecanismo de falla de manera productiva para construir estos dispositivos biomédicos".

Un tipo de metal líquido que puede provocar fragilidad es el galio. Para este estudio, los investigadores utilizaron galio-indio eutéctico, una aleación de galio que los científicos han explorado para una variedad de aplicaciones en biomedicina, así como en energía y electrónica flexible.

Para los propios dispositivos, los investigadores optaron por utilizar aluminio, que se sabe que es susceptible a fragilizarse cuando se expone al galio.

El galio debilita los metales sólidos como el aluminio de dos maneras. En primer lugar, puede difundirse a través de los límites de los granos del metal (líneas fronterizas entre los cristales que componen el metal) provocando que se rompan pedazos de metal. El equipo del MIT demostró que podían aprovechar este fenómeno diseñando metales con diferentes tipos de estructuras de grano, permitiendo que los metales se rompieran en pedazos pequeños o se fracturaran en un punto determinado.

El galio también evita que el aluminio forme una capa protectora de óxido en su superficie, lo que aumenta la exposición del metal al agua y mejora su degradación.

El equipo del MIT demostró que después de pintar galio-indio en dispositivos de aluminio, los metales se desintegrarían en cuestión de minutos. Los investigadores también crearon nanopartículas y micropartículas de galio-indio y demostraron que estas partículas, suspendidas en un fluido, también podían descomponer las estructuras de aluminio.

Desintegración bajo demanda

Si bien los investigadores comenzaron este esfuerzo como una forma de crear dispositivos que pudieran descomponerse en el tracto gastrointestinal, pronto se dieron cuenta de que también podría aplicarse a otros dispositivos biomédicos, como grapas y stents.

Para demostrar las aplicaciones gastrointestinales, los investigadores diseñaron un dispositivo en forma de estrella, con brazos unidos a un elastómero central mediante un tubo hueco de aluminio. Los medicamentos se pueden llevar en los brazos y la forma del dispositivo ayuda a retenerlos en el tracto gastrointestinal durante un período prolongado. En un estudio en animales, los investigadores demostraron que este tipo de dispositivo podría descomponerse en el tracto gastrointestinal tras el tratamiento con galio-indio.

Luego, los investigadores crearon grapas de aluminio y demostraron que podían usarse para mantener unido el tejido y luego disolverse con una capa de galio-indio.

"En este momento, quitar las grapas puede provocar más daño en los tejidos", dice Feig. "Demostramos que con nuestra formulación de galio podemos simplemente pintarlo en las grapas y hacer que se desintegren cuando sea necesario".

Los investigadores también demostraron que un stent de aluminio que diseñaron podría implantarse en el tejido esofágico y luego descomponerse con galio-indio.

Actualmente, los stents esofágicos se dejan en el cuerpo de forma permanente o se retiran por vía endoscópica cuando ya no son necesarios. Estos stents suelen estar hechos de metales como el nitinol, una aleación de níquel y titanio. Los investigadores ahora están trabajando para ver si podrían crear dispositivos solubles a partir de nitinol y otros metales.

"Algo interesante que explorar desde la perspectiva de la ciencia de los materiales es: ¿podemos tomar otros metales que se utilizan más comúnmente en la clínica y modificarlos para que también puedan activarse activamente?" Dice Feig.

En este estudio, los investigadores realizaron estudios iniciales de toxicidad en roedores y descubrieron que el galio-indio no era tóxico incluso en dosis altas. Sin embargo, según los investigadores, se necesitarían más estudios para garantizar que sea seguro administrarlo a los pacientes.

La investigación fue financiada por la Fundación Bill y Melinda Gates, el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, la División de Gastroenterología del Hospital Brigham and Women's, el Programa Schmidt Science Fellows y Rhodes Trust.

Otros autores del artículo incluyen a Eva Remlova, Benjamin Muller, Johannes Kuosmanen, Nikhil Lal, Anna Ginzburg, Kewang Nan, Ashka Patel, Ahmad Mujtaba Jebran, Meghan Bantwal, Niora Fabian, Keiko Ishida, Joshua Jenkins, Jan-Georg Rosenboom, Sanghyun Park , Tienda Madani y Alison Hayward.

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