Con impresión en 3D desarrollan sensor flexible e inalámbrico para monitorear flujo sanguíneo en vasos afectados por aneurismas cerebrales

impresión 3d
Los sensores inalámbricos se producen utilizando una impresora 3D de chorro de aerosol. Un ejemplo de la película de nanopartículas de plata se muestra a la derecha.

Un sensor inalámbrico lo suficientemente pequeño como para ser implantado en los vasos sanguíneos del cerebro humano, podría ayudar a los médicos a evaluar la curación de los aneurismas, protuberancias que aparecen en los vasos sanguíneos y que pueden causar hemorragias severas. El sensor flexible, que funciona sin baterías, se enrolla alrededor de stents o desviadores implantados para controlar el flujo sanguíneo en los vasos afectados por dichos aneurismas.

A menor costo en menos tiempo

Con el objetivo de reducir los costos y acelerar el proceso para la producción de los sensores flexibles, se utiliza la impresión 3D de chorro de aerosol con lo que se crean trazas de plata conductoras en sustratos elastoméricos. La técnica de fabricación aditiva 3D permite la producción de características electrónicas muy pequeñas en un solo paso, sin usar los procesos tradicionales de litografía de varios pasos en un cuarto limpio con control de partículas de polvo. Se cree que el dispositivo es la primera demostración de la impresión 3D con chorro de aerosol para producir un sistema de detección implantable y extensible para monitoreo inalámbrico.

La belleza de nuestro sensor es que puede integrarse perfectamente en los stents médicos existentes o en los desviadores de flujo que los médicos ya están utilizando para tratar los aneurismas“, dijo Woon-Hong Yeo, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff del Instituto de Tecnología de Georgia (Georgia Tech por su nombre en inglés) y del Departamento de Ingeniería Biomédica Wallace H. Coulter en Georgia Tech y Emory University. “Podríamos usarlo para medir el flujo sanguíneo entrante al saco del aneurisma para determinar como evoluciona el aneurisma y alertar a los médicos si cambia el flujo“.

El sensor, que se inserta usando un sistema de catéter, usa un acoplamiento inductivo de señales para permitir la detección inalámbrica de la hemodinámica biomimética del aneurisma cerebral.

Resultados

La investigación se publicó en el artículo “Fully Printed, Wireless, Stretchable Implantable Biosystem toward Batteryless, Real‐Time Monitoring of Cerebral Aneurysm Hemodynamics“, (Biosistema implantable estirable, completamente impreso, inalámbrico, hacia la monitorización en tiempo real sin batería de la hemodinámica del aneurisma cerebral), el 7 de agosto en la revista Advanced Science.

Monitorear el progreso de los aneurismas cerebrales actualmente requiere de realizar repetidas imágenes de angiografía utilizando materiales de contraste que pueden tener efectos secundarios. Por ello y por los costos, el uso de la técnica de imagen debe ser limitado. Sin embargo, un sensor colocado en un vaso sanguíneo podría permitir evaluaciones más frecuentes, sin el uso de tintes de imagen.

Para los pacientes que se han sometido a un procedimiento, podríamos determinar si el aneurisma se está ocluyendo adecuadamente sin usar ninguna herramienta de imagen“, dijo Yeo. “Podremos medir con precisión el flujo sanguíneo para detectar cambios tan pequeños como 0.05 metros por segundo“.

Detalles del sensor

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Esta imagen de acercamiento muestra detalles del sensor ultrafino de bajo perfil para controlar el flujo sanguíneo en el cerebro.

El sensor de 6 capas está fabricado con poliamida biocompatible; 2 capas separadas de un patrón de malla producido a partir de nanopartículas de plata; un material dieléctrico; y un material de encapsulación de polímero blando. El sensor estaría envuelto alrededor del stent o desviador de flujo, que debe tener menos de 2 o 3 milímetros de diámetro para encajar en los vasos sanguíneos.

Para recoger la energía electromagnética, el dispositivo incluye una bobina. La sangre que fluye a través del sensor implantado cambia su impedancia. Esto altera las señales que pasan a través del dispositivo en su camino hacia una tercera bobina ubicada fuera del cuerpo. En el laboratorio, Yeo y sus colaboradores han medido los cambios de capacitancia a 6 centímetros de un sensor implantado en la piel para simular el tejido cerebral.

La velocidad de flujo se correlaciona muy bien con el cambio de impedancia de energía que podemos medir“, dijo Yeo. “Hemos hecho que el sensor sea muy delgado y deformable para que pueda responder a pequeñas variaciones en el flujo sanguíneo“.

Impresión 3D

El uso de la técnica de impresión 3D de chorro de aerosol fue esencial para producir una electrónica elástica y flexible necesaria para el sensor. La técnica utiliza un aerosol con partículas para crear patrones. Esto permitie tamaños de características más estrechos que la impresión de inyección de tinta convencional.

Podemos controlar la velocidad de impresión, el ancho de impresión y la cantidad de material que se inyecta“, dijo Yeo. “Los parámetros se pueden optimizar para cada material, y podemos usar materiales que tengan una amplia gama de viscosidad“.

Debido a que el sensor puede producirse en un solo paso, podría fabricarse en mayor volumen. Es decir, sin las costosas instalaciones de control de partículas de un cuarto limpio.

Siguientes pasos

En una siguiente fase con el sensor de aneurisma, “podremos medir cómo la presión contribuye al cambio de flujo“, explicó Yeo. “Eso permite utilizar el dispositivo para otras aplicaciones, como mediciones de presión intracraneal“.

El equipo de investigación de Yeo también ha desarrollado un monitor flexible y portátil para la salud capaz de proporcionar Electrocardiogramas y otra información. Menciona que el éxito de la técnica de monitoreo demuestra el potencial de la electrónica suave inalámbrica inteligente; y conectada basada en nanomateriales; mecánica extensible y algoritmos de aprendizaje automático.”Estamos entusiasmados de que se reconozca el potencial de esta tecnología“, agregó Yeo. “Existen muchas oportunidades para integrar este mecanismo de detección en membranas ultrafinas que se pueden implantar en el cuerpo“.

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