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(Foco Nanowerk) Imagine un pequeño dispositivo bioelectrónico implantado debajo de su piel que podría monitorear continuamente sus signos vitales, administrar medicamentos con precisión o incluso estimular sus músculos y nervios para tratar una variedad de afecciones médicas. Ahora imagine que después de un período de tiempo preprogramado, este dispositivo simplemente se desintegraría, cumpliría su misión y no dejaría rastro en su cuerpo. No se requiere cirugía de extracción ni riesgo de complicaciones a largo plazo: solo una solución terapéutica temporal que desaparece cuando ya no es necesaria.
Ésta es la tentadora promesa de la electrónica bioabsorbible, un campo de vanguardia que apunta a crear implantes médicos a partir de materiales que el cuerpo pueda descomponer y absorber de manera inofensiva después de un período de tiempo útil. Al eliminar la necesidad de extirpación quirúrgica, estos dispositivos “temporales” podrían revolucionar el tratamiento de afecciones que van desde la cicatrización de heridas hasta la epilepsia. Podrían marcar el comienzo de una nueva era de medicina de precisión, en la que el dispositivo en sí sea una especie de “medicina electrónica” que sólo existe durante el tiempo deseado.
Pero desarrollar dispositivos que funcionen de manera confiable en el duro entorno del cuerpo humano y luego desaparezcan cuando se les ordene no es una tarea fácil. Un desafío clave fue desarrollar un material de encapsulación que pudiera proteger los dispositivos electrónicos de la humedad y la degradación durante un período de tiempo controlable antes de que se descompongan en subproductos inofensivos. Este embalaje debe actuar como una perfecta barrera contra la humedad durante toda la vida útil del dispositivo, pero no debe permanecer en el cuerpo indefinidamente después. Los materiales convencionales no han logrado este ideal.
Los polímeros, por ejemplo, son fáciles de formar en películas delgadas, pero por su naturaleza permiten que el agua pase lentamente y dañan prematuramente los componentes electrónicos. Los materiales inorgánicos como el dióxido de silicio constituyen excelentes barreras, pero suelen ser rígidos y requieren altas temperaturas para producirse, lo que limita su versatilidad. Los enfoques híbridos orgánicos-inorgánicos se han mostrado prometedores, pero aún luchan por eliminar por completo los defectos que comprometen rápidamente la encapsulación. Para permitir dispositivos bioabsorbibles más duraderos y potentes, se requiere una estrategia de materiales completamente nueva.
Ahora, un equipo de investigación multidisciplinario formado por químicos, científicos de materiales e ingenieros biomédicos puede haber encontrado una solución. Como se informó en Materiales avanzados (“Películas orgánicas-inorgánicas multicapa biorreabsorbibles para sistemas bioelectrónicos”), han desarrollado un método de encapsulación que utiliza capas alternas ultrafinas de oxinitruro de silicio (SiON) y un polímero biorreabsorbible especial llamado polianhídrido (PA) para crear un defecto flexible y ajustable. -barrera de humedad tolerante. Al apilar múltiples capas de estos materiales en una configuración optimizada, formaron un camino tortuoso que previene efectivamente la entrada de líquido y evita que la humedad llegue a los componentes electrónicos, incluso cuando hay defectos menores presentes.
![Demostración del rendimiento de barrera contra el agua de películas de SiON-PA de tres capas mediante dispositivos optoelectrónicos](https://www.nanowerk.com/spotlight/id64817_1.jpg)
Para entender por qué esto es un gran avance, consideremos las debilidades de las barreras de una sola capa. Incluso un agujero nanoscópico en una película de barrera inorgánica puede crecer rápidamente y permitir la entrada de humedad. Los polímeros son más indulgentes pero permeables con el tiempo. La innovación del equipo fue crear una estructura de múltiples capas, con muchas capas separadas trabajando juntas para «protegerse» entre sí. Cualquier fallo localizado está aislado y contenido y no puede poner en peligro el dispositivo.
Igualmente importante es que la química y el número de capas se pueden ajustar con precisión para controlar cuánto tiempo permanece estable el dispositivo antes de deteriorarse. Esto se logra personalizando las propiedades del material PA y el grosor de cada capa de la pila. El resultado es un nivel de control sin precedentes sobre la vida útil funcional de un dispositivo bioabsorbible, de días a meses, al tiempo que se garantiza una disolución posterior segura y predecible.
El potencial de esta tecnología quedó claramente demostrado mediante la encapsulación y prueba de implantes LED inalámbricos. in vitro y en ratones vivos. Los dispositivos protegidos por películas multicapa de SiON-PA permanecieron estables y funcionales durante más de un mes, mientras que los implantes no protegidos en el cuerpo fallaron a los pocos días. Las imágenes revelaron que la barrera impidió la penetración de humedad hasta que comenzó la degradación preprogramada.
Además, se llevaron a cabo extensos estudios de biocompatibilidad y degradación para garantizar la seguridad y el impacto ambiental de los materiales de barrera. Ambos in vitro estudios celulares y en vivo Los experimentos de implantación confirmaron que las películas de SiON-PA y sus productos de degradación no eran tóxicos y no desencadenaban reacciones inflamatorias adversas. Las películas se descompusieron en compuestos inofensivos que el cuerpo podía absorber o excretar de forma segura con el tiempo.
Aunque aún se requieren más desarrollo y pruebas, este innovador método de encapsulación abre la puerta a una nueva generación de dispositivos médicos bioabsorbibles más duraderos y potentes. Proporcionar una barrera contra la humedad ajustable y tolerante a fallas podría permitir que los implantes se adapten a una gama mucho más amplia de condiciones que están preprogramadas para durar un período de tiempo deseado antes de desaparecer sin dejar rastro.
Sin embargo, aún quedan desafíos en el camino hacia la traducción clínica. Se requieren estudios a largo plazo para una caracterización completa. en vivo Proceso de degradación y posibles efectos de los subproductos. Ampliar el proceso de fabricación manteniendo un control preciso sobre las propiedades de las capas requiere mayores esfuerzos de ingeniería. Para demostrar la seguridad y eficacia de estos novedosos dispositivos en humanos, también se deben superar obstáculos regulatorios.
El desarrollo de esta barrera contra la humedad orgánica-inorgánica multicapa representa un avance significativo para el campo de la electrónica bioabsorbible. Al proporcionar un método de encapsulación sintonizable y tolerante a fallas, esta innovación podría marcar el comienzo de una nueva era de dispositivos médicos transitorios y duraderos capaces de un amplio espectro para tratar enfermedades antes de que se resuelvan de manera inofensiva. El enfoque interdisciplinario desarrollado por este equipo de investigación, que combina los puntos fuertes de la química, la ciencia de los materiales y la ingeniería biomédica, demuestra el poder de la colaboración para ampliar los límites de lo posible.
Sin embargo, este trabajo innovador es sólo el comienzo. Se necesitan más estudios para caracterizar completamente el desarrollo a largo plazo. en vivo Rendimiento y seguridad de estos materiales así como la optimización y escalamiento del proceso de fabricación. Los investigadores también deben navegar por el complejo panorama regulatorio para trasladar esta tecnología del laboratorio a la clínica. Estos desafíos requieren un esfuerzo e inversión sostenidos tanto de la comunidad científica como de los socios de la industria.
Pero el impacto social potencial de esta tecnología es inmenso. Imagine un futuro en el que los pacientes con enfermedades crónicas como diabetes o enfermedades cardíacas pudieran recibir seguimiento y tratamiento continuos a largo plazo a través de un único implante autodisolvente. Imagine un mundo en el que los pacientes con cáncer pudieran recibir medicamentos de forma localizada y sostenida sin la necesidad de repetidos procedimientos invasivos. Imaginemos una época en la que enfermedades cerebrales como la epilepsia o el Parkinson pudieran tratarse con estimulación electrónica temporal y específica que no deje rastro duradero. Gracias a avances como esta barrera contra la humedad bioabsorbible, estas posibilidades ahora están al alcance de la mano.
Además, el concepto de “medicina electrónica”, en el que el dispositivo en sí es una terapia programable y transitoria, podría cambiar fundamentalmente la forma en que abordamos el tratamiento médico. Al permitir intervenciones precisas y en un tiempo limitado adaptadas a las necesidades de cada paciente, este cambio de paradigma podría mejorar los resultados, reducir los efectos secundarios y reducir los costos de atención médica. También podría reducir el impacto ambiental de los desechos médicos, ya que los dispositivos de un solo uso simplemente se descompondrían en componentes inofensivos.
En cuanto al cronograma de implementación clínica, los expertos creen que los primeros ensayos en humanos de dispositivos electrónicos bioabsorbibles podrían comenzar dentro de los próximos 5 a 10 años. A medida que la investigación continúa refinando y optimizando estas tecnologías, podemos esperar que más y más aplicaciones pasen de los estudios preclínicos a las pruebas clínicas. Es totalmente plausible que la electrónica bioabsorbible se convierta en una herramienta médica común en las próximas dos décadas y cambie el estándar de atención para una amplia gama de enfermedades.
Por supuesto, lograr esta visión requiere colaboración e inversión continuas por parte de investigadores, médicos, socios industriales y formuladores de políticas. Requiere un compromiso sostenido con la investigación interdisciplinaria, la medicina traslacional y las asociaciones público-privadas.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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