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Al aprovechar un fenómeno que conduce a fracturas en el metal, los investigadores del MIT diseñaron dispositivos médicos que podrían usarse dentro del cuerpo como stents, grapas o depósitos de medicamentos, y luego descomponerse de manera segura dentro del cuerpo cuando ya no se necesitan.
Los investigadores han demostrado que los dispositivos biomédicos hechos de aluminio pueden desintegrarse al exponerlos a un metal líquido llamado eutéctico galio-indio (EGaIn). En la práctica, esto podría funcionar pintando líquido sobre las grapas utilizadas para mantener unida la piel, por ejemplo, o administrando micropartículas de EGaIn a los pacientes.
Activar la desintegración de dichos dispositivos de esta manera podría eliminar la necesidad de procedimientos quirúrgicos o endoscópicos para extraerlos, dicen los investigadores.
«Es un fenómeno realmente dramático que se puede aplicar a múltiples contextos», dice Giovanni Traverso, profesor asistente Karl van Tassel de desarrollo profesional en 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 requieren intervención, como endoscopia o cirugía para la extracción del dispositivo».
Traverso es el autor principal del estudio, que aparece en Materiales avanzados. Vivian Feig, becaria postdoctoral en el MIT, es la autora principal del artículo.
Descompone los 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 fármacos en un horario específico.
La mayoría de estos dispositivos están hechos de polímeros, pero recientemente los investigadores han explorado la posibilidad de utilizar metales, que son más resistentes y duraderos. Sin embargo, uno de los desafíos de la entrega de electrodomésticos de metal es encontrar una manera de eliminarlos una vez que ya no se necesitan.
Para crear dispositivos que se puedan descomponer a pedido 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 fuente de fallas en estructuras metálicas, incluidas las de zinc y acero inoxidable.
“Se sabe que ciertas combinaciones de metales líquidos pueden penetrar los límites de grano de los metales sólidos y debilitarlos significativamente y hacer que fallen”, dice Feig. «Queríamos ver si podíamos explotar este mecanismo de falla conocido de una manera productiva para construir estos dispositivos biomédicos».
Un tipo de metal líquido que puede inducir la fragilización es el galio. Para este estudio, los investigadores utilizaron eutéctico de galio-indio, 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 dispositivos en sí, los investigadores optaron por utilizar aluminio, que se sabe que es susceptible de 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 grano del metal, las líneas divisorias entre los cristales que forman el metal, lo que hace que se rompan piezas de metal. El equipo del MIT demostró que podían explotar este fenómeno mediante el diseño de metales con diferentes tipos de estructuras de grano, lo que permite que los metales se rompan en pedazos pequeños o se rompan 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 promueve su degradación.
El equipo del MIT demostró que después de pintar con galio-indio los 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 romper estructuras de aluminio.
Desintegración a pedido
Si bien los investigadores comenzaron este esfuerzo como una forma de crear dispositivos que pudieran descomponerse en el tracto gastrointestinal, rápidamente se dieron cuenta de que también podrían aplicarse a otros dispositivos biomédicos, como grapas y stents.
Para demostrar las aplicaciones GI, los investigadores diseñaron un dispositivo en forma de estrella, con brazos unidos a un elastómero central por un tubo de aluminio hueco. Los medicamentos se pueden llevar en los brazos y la forma del dispositivo permite que se retenga en el tracto gastrointestinal durante un período prolongado. En un estudio con animales, los investigadores demostraron que este tipo de dispositivo podría descomponerse en el tracto gastrointestinal cuando se trata con galio-indio.
Luego, los investigadores crearon grapas de aluminio y demostraron que podían usarse para mantener unido el tejido y luego disolverlo con una capa de galio-indio.
“Actualmente, quitar las grapas en realidad puede inducir más daño a los tejidos”, dice Feig. «Hemos demostrado que con nuestra formulación de galio, podemos simplemente pintarlo en las grapas y hacer que se desintegren a pedido».
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 endoscópicamente cuando ya no se necesitan. Dichos stents a menudo están hechos de metales como el nitinol, una aleación de níquel y titanio. Los investigadores ahora están trabajando para ver si pueden crear dispositivos solubles a partir de nitinol y otros metales.
«Algo emocionante para explorar desde la perspectiva de la ciencia de los materiales es: ¿podemos tomar otros metales que se usan más comúnmente en la clínica y modificarlos para que también puedan activarse activamente?» dijo Feig.
En este estudio, los investigadores realizaron estudios iniciales de toxicidad en roedores y encontraron que el galio-indio no era tóxico incluso en dosis altas. Sin embargo, se necesitarían más estudios para garantizar que sea seguro administrarlo a los pacientes, dijeron los investigadores.
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 de Becarios Científicos Schmidt 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, Meghana Bantwal, Niora Fabian, Keiko Ishida, Joshua Jenkins, Jan-Georg Rosenboom, Sanghyun Park. , Weema Madani y Alison Hayward.
