La impresión en 3D ayudará a salvar vidas en un futuro

3d Printer Print the New DNA Molecules on a white background. 3d Rendering

El avance en la impresión en 3D otorgará al sector salud posibilidades de imprimir órganos humanos en unos años. Actualmente ya se están imprimiendo tramos de huesos, como fragmentos de maxilar: “Hay muchas piezas que ahora ya funcionan y que se están colocando en pacientes”, señaló Juan José Careiro, quien participó en la mesa de trabajo sobre Regulación, realidad virtual y aumentada, Internet de las cosas, impresión 3D e inteligencia artificial, en los trabajos previos al Digital Health Forum México (DHFM) 2019.

En entrevista, Careiro explicó que la impresión 3D es una forma de fabricar objetos; un proceso de manufactura que implica retirar o agregar material, “hasta llegar a la forma de lo que estamos buscando. En este sentido, la impresión en 3D es la más sofisticada que hay ahora…y ya existen en el mundo real operando muchas cosas de impresión 3D”. 

Actualmente ya es posible imprimir tejido con flujo sanguíneo, detalló Careiro, aunque especificó que lo anterior todavía no está aprobado para su uso. Todavía hacen falta pruebas para evitar poner en riesgo a la población: “Estamos todavía a cierta distancia, pero nos acercamos con pasos acelerados a poder imprimir, por ejemplo, un órgano humano. El rango de aplicación de esta tecnología es impresionante”. También indicó que por ello es primordial que en el uso de estas tecnologías en el sector salud, se tengan altos estándares de calidad.

En su exposición, Carreiro comentó sobre el uso de la realidad aumentada: “La realidad aumentada consiste básicamente en alimentar con data que no es visible; que no está disponible al humano en su entorno natural. Agregarlo a lo que hoy está percibiendo del mundo. Regularmente pensamos en realidad aumentada solo como algo que vemos. Pero puede ser también para temas auditivos y del sentido del tacto. Es cualquier información adicional a los sentidos humanos del entorno que experimenta a través de la tecnología con simulaciones; o con registros de otros momentos. La base es agregar información a los sentidos humanos de su entorno”.

Explicó que se puede ver un uso práctico en los tratamientos de rehabilitación de un paciente, “…donde a través de la realidad aumentada puedes evaluar la marcha de un paciente, el cómo camina. Al ver los movimientos reales del cuerpo humano, puedes recomendar al paciente diferentes formas de pararse, sentarse o caminar, y de esta manera ayudar a la rehabilitación”. 

Digital Health Forum México (DHFM), que se lleva a cabo  los días 16 y 17 de octubre en la Ciudad de México, es organizado en forma conjunta por:

  • Fundación Mexicana para la Salud (Funsalud)
  • Facultad de Medicina de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM)
  • Asociación Mexicana de la Industria de Investigación Farmacéutica (AMIIF)
  • Sistema de Salud del Tecnológico de Monterrey (TecSalud)

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

sensor
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“.

Desarrollan báscula para monitorear insuficiencia cardiaca

prototipo
Las señales de balistocardiografía de alta calidad pueden recolectarse en un entorno hogareño y usarse para detectar el estado clínico de los pacientes con IC

Un dispositivo registra un electrocardiograma a través de los dedos de las manos y con una especie de báscula, mide el movimiento del cuerpo que se origina por la energía transmitida desde el corazón hacia las grandes arterias. Con esa información, las herramientas de aprendizaje automático, calculan los síntomas de insuficiencia cardiaca.

Así es como los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia (Georgia Tech, por su nombre en inglés) imaginan que su dispositivo experimental llegará a los pacientes algún día, y en el estudio “Classification of Decompensated Heart Failure from Clinical and Home Ballistocardiography” (Clasificación de la insuficiencia cardíaca descompensada a través de la balistocardiografía clínica y domiciliaria), informaron el éxito de la prueba de concepto al registrar y procesar datos de 43 pacientes con insuficiencia cardíaca

La idea es que una versión comercializable futura de la escala de monitoreo,  notificaría al médico, quien llamaría a la persona para ajustar su medicación en casa, con suerte evitándole una larga estadía en el hospital y un sufrimiento innecesario.

El balistocardiograma es una medición que los investigadores tomaban con más frecuencia hace unos 100 años, pero la abandonaron cuando la tecnología de imagen la superó con creces. Ahora, con la computación moderna, los investigadores la están encontrando útil de nuevo.

De acuerdo con Alberto Barón, en la Revista Colombiana de Cardiología, “El balistocardiograma (BCG) es el registro del movimiento del cuerpo que se origina por la energía transmitida desde el corazón hacia las grandes arterias como consecuencia de la salida de la sangre desde los ventrículos y del retroceso del cuerpo como reacción. Esta energía causa un desplazamiento del cuerpo en sentido cefálico, para luego cambiar en dirección opuesta cuando la sangre fluye por la aorta descendente.

 “Es la primera vez que en nuestro trabajo utilizamos BCG para clasificar el estado de los pacientes con insuficiencia cardíaca“, dijo Omer Inan, investigador principal del estudio y profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Georgia Tech.

Crisis de salud

La insuficiencia cardíaca (IC) afecta a 6.5 ​​millones de estadounidenses y es una enfermedad de progresión lenta, en la que el corazón funciona cada vez con menos eficacia. Muchas personas lo conocen como insuficiencia cardíaca congestiva porque un síntoma importante es la acumulación de líquido, que puede congestionar los pulmones, dificultar la respiración e incluso, causar la muerte.

Los pacientes sufren hospitalizaciones repetidas para ajustar los medicamentos cuando su condición disminuye, o se “descompensa“, lo que hace que la insuficiencia cardíaca sea un factor importante de ingresos hospitalarios y costos de atención médica. El monitoreo domiciliario reduce las hospitalizaciones, pero actualmente requiere un procedimiento invasivo.

La investigación de Georgia Tech estuvo detrás del lanzamiento de un dispositivo de monitoreo domiciliario de insuficiencia cardíaca implantable en 2011. Pero esta nueva solución potencialmente prescindiría del procedimiento, costaría mucho menos y sería mucho más simple de usar, reduciendo la resistencia de los pacientes al monitoreo domiciliario. 

Dada su etapa inicial, la escala BCG-Electrocardiograma (ECG) del estudio, funcionó bien en las pruebas de hospital pero también en las pruebas en el hogar, lo cual fue prometedor, ya que la solución apunta principalmente al uso eventual en los domicilios.

El equipo de investigación, incluyó colaboradores de la Universidad de California de su sede en San Francisco y de  la Universidad Northwestern, publicó sus resultados en la revista IEEE Transactions on Biomedical Engineering, del  Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)

La parte electrocardiograma de la escala experimental no es nueva ni su gran información de diagnóstico, pero por sí sola no dice lo suficiente sobre la insuficiencia cardíaca. La parte de BCG es principalmente nueva, y parece valiosa para monitorear la insuficiencia cardíaca, pero también es difícil de grabar e interpretar.

El ECG tiene ondas características que los médicos han entendido durante 100 años, y ahora, las computadoras lo leen muchas veces“, dijo Inan. “Los elementos de la señal de BCG aún no se conocen bien, y no se han medido mucho en pacientes con insuficiencia cardíaca“.

El electrocardiograma es eléctrico; el cuerpo conduce bien sus señales y las grabaciones son claras. Por el contrario, el BCG es una señal mecánica; la grasa corporal lo amortigua, y enfrenta muchas interferencias en el cuerpo, como variaciones de tejidos y movimientos musculares. Los BCG también son más “ruidosos” en personas con enfermedad cardiovascular.

Los pacientes con insuficiencia cardíaca tienden a ser más débiles, e inicialmente, a los investigadores les preocupaba que se tambalearan en las escalas durante las pruebas en el hogar, agregando aún más ruido a los BCG. Pero las grabaciones fueron muy productivas.

Aunque una lectura del balistocardiograma  es garabato en comparación con los grabados casi uniformes de un ECG, los BCG tienen algunos patrones que son paralelos a los de un electrocardiograma. Por ejemplo, el gran pico ascendente en un ECG es seguido por la gran “onda J” del BCG.

Latidos inconsistentes

Los investigadores procesaron BCG con 3 algoritmos de aprendizaje automático, revelando patrones que difieren cuando se descompensa la insuficiencia cardíaca de un paciente.

En alguien con insuficiencia cardíaca descompensada, el flujo de sangre a través de las arterias se vuelve más desordenado, y lo vemos en la señal mecánica del BCG“, dijo Inan. “Esa diferencia no aparece en el ECG porque es una señal eléctrica“.”La característica más importante era el grado en que el BCG es variable, lo que significaría un flujo sanguíneo inconsistente. Si corta la grabación en intervalos de 20 segundos y los segmentos individuales difieren mucho entre sí, eso es un buen marcador de descompensación“, explicó Inan.