Los ingenieros convierten el arte en nuevos dispositivos

Nov 15, 2023

Origami, el arte de doblar papel en objetos tridimensionales, es una expresión pura de estética y geometría. Los artistas “enseñan” una hoja de papel colocándola, sosteniéndola y doblándola en patrones precisos, y los pliegues se convierten en “recuerdos” en sus fibras. Crearlo puede ser fascinante, incluso alegre. Pero tiene muchas otras aplicaciones y beneficios potenciales, y uno de ellos es la ingeniería de tejido hepático artificial para la detección de terapias médicas.

Carol Livermore, Ph.D., es profesora asociada de ingeniería mecánica en la Universidad Northeastern. “Mi laboratorio estaba trabajando en técnicas para el ensamblaje dirigido de objetos diminutos, incluidas células, sobre superficies planas. Ya teníamos una gran técnica para colocar diferentes tamaños o tipos de células donde queríamos, pero sólo mientras el tejido necesario fuera plano”.

Al intercambiar ideas con su equipo, la Dra. Livermore se centró en el origami como una forma de aprovechar patrones 2D en objetos 3D. “El origami crea todo tipo de formas fascinantes, pero tiene otras características menos conocidas. Por ejemplo, puedes diseñar estructuras de modo que solo haya un resultado probable cuando las pliegues”.

Su proyecto recibió 2 millones de dólares en financiación de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU., uno de los muchos proyectos que requerían explícitamente utilizar el origami para un importante propósito de ingeniería e incluir a artistas y matemáticos del origami.

Con el físico y maestro del origami Robert J. Lang, Ph.D., a bordo, el equipo aprendió sobre los diseños de origami de “un solo grado de libertad”. "Básicamente, si modelas los pliegues en los lugares correctos, luego dejas una mano fija en su lugar y con la otra agarras otra parte de la sábana, la dirección que tomará el pliegue se vuelve completamente predecible", dijo el Dr. Livermore. "Esa confiabilidad es muy importante para los resultados de ingeniería".

La función hepática es difícil de replicar. En el tejido hepático, la sangre fluye a través de pequeñas vías, llamadas sinusoides, de modo que las moléculas pueden llegar a las capas individuales de hepatocitos que filtran sustancias de la sangre.

“Este patrón se repite una y otra vez en un bloque de tejido. Si los nutrientes y sustancias químicas que el hígado necesita procesar no pueden llegar al hepatocito, este no prosperará ni será útil, y se necesitan todas estas capas increíblemente delgadas. Luego se necesita flujo a través de los vasos sanguíneos y difusión a través de las capas endoteliales. Eso permite que las sustancias lleguen a los hepatocitos, al mismo tiempo que los protege del estrés cortante del flujo”, explicó el Dr. Livermore.

El origami, que automáticamente es una estructura en capas, fue una solución óptima. En el tejido artificial de origami, las células se sembraron en una resistente membrana de policarbonato nanoporoso recubierta con colágeno para mantener las células viables, con pequeños poros funcionando como capas endoteliales que recubren los sinusoides. “Ahora podríamos colocar los hepatocitos de un lado y las células endoteliales del otro. Teníamos un flujo de medio de cultivo celular, como sangre artificial, en un lado de la membrana nanoporosa, y hepatocitos y medio de cultivo celular en el otro, y difusión a través de la membrana, llevando nutrientes a los hepatocitos”.

Para dirigir el flujo se utilizó cinta Kapton® de doble cara, con orificios cortados con láser a intervalos precisos. A continuación, las cintas y membranas de doble cara se doblaron en forma de acordeón a 90 grados, una y otra vez (para visualizar, junte dos tiras de papel en ángulo recto y dóblelas). Los agujeros en la cinta doblada crearon un camino de flujo. “Lo bueno es que eso nos dio la capacidad de replicar razonablemente lo que sucede en el cuerpo. El patrón de origami fue doblado manualmente de manera determinista, sus pliegues predefinidos por láser; una imitación técnica de cómo los artistas de origami presentan su trabajo”.

La Dra. Livermore y su equipo completaron recientemente el proyecto NSF y lograron su primer objetivo: crear dispositivos de tejido artificial que funcionen y respondan a la terapia con medicamentos como lo haría el tejido humano.

Al igual que el origami, el kirigami implica doblar, pero también permite cortar y pegar. Katia Bertoldi, Ph.D., investigadora principal del Grupo Bertoldi de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de la Universidad de Harvard, ha experimentado durante mucho tiempo con esta forma, por ejemplo, desarrollando robots blandos que se mueven como serpientes, con escamas de kirigami para locomoción. "Kirigami es una plataforma sencilla que introduce cortes en el papel, pero es fascinante lo que puedes hacer con él: tantas formas interesantes que se transforman".

Ahora está desarrollando suelas de zapatos basadas en kirigami para ayudar a prevenir caídas en superficies resbaladizas, como el hielo. A nivel mundial, anualmente se producen 37,3 millones de lesiones graves por caídas, con 646.000 muertes, un gran número de ellas en personas mayores de 65 años, según la Organización Mundial de la Salud.

El papel del Dr. Bertoldi en el desarrollo del dispositivo fue investigar la geometría necesaria, aprender cómo su diseño afectaría los resultados y ajustarlo para que funcionara con el comportamiento de los pies humanos.

Considere cómo las escamas de una serpiente se agarran al suelo. “Nuestro concepto es muy similar a cómo las serpientes usan sus escamas. Al estudiarlas, aprendimos que las escalas también se mueven hacia arriba y hacia abajo, y que cada escala se acciona de forma independiente. Lo implementamos en el sistema artificial que estábamos desarrollando”.

La suela de acero cortada con láser se parece notablemente a escamas de serpiente de metal, satisfactoriamente simétricas. Sujetas al zapato, las escamas se abren hacia afuera a medida que el pie se flexiona a medio paso, proyectando dientes subyacentes que se agarran a las superficies heladas al aumentar la fricción con el suelo. A medida que se completa la zancada, se retraen y las escamas se aplanan, listas para el siguiente paso.

“En este momento, es una lámina de acero desmontable que se fija a una suela de goma. Hemos solicitado una patente y luego podemos trabajar para incrustarla en las suelas de los zapatos, lo que afecta el proceso de fabricación. No queremos que la conexión impida el movimiento deseado”.

Si bien los sujetos de prueba han sido adultos jóvenes y sanos, el Dr. Bertoldi ve potencial para personalizar las suelas para que funcionen con andares mayores o comprometidos. “Uno de nuestros puntos de interés es la actividad al aire libre y la prevención de resbalones y caídas de las personas mayores. Otro está relacionado con la industria, donde ocurren muchos tipos de caídas. Cada entorno tiene condiciones diferentes y requiere materiales diferentes. Queremos optimizar la geometría, la fabricación y los materiales, y cómo se integran en el zapato para lograr esa funcionalidad”.

La Dra. Bertoldi y sus colegas están hablando con empresas interesadas sobre el apoyo al trabajo. Mientras tanto, también están desarrollando el prototipo desmontable y aprendiendo cómo integrarlo de una manera más sustancial a los zapatos.

Ella reconoce que hay ciertos casos en los que una suela desmontable podría ser mejor para determinadas situaciones, pero que la mayoría de los comentarios apuntan a la integración con el zapato. "Ahí es donde reside el interés en este momento".

Diseñar medicamentos desde cero implica miles de posibilidades descartadas. Después de pruebas, cultivos celulares, pruebas con animales y ensayos clínicos, los investigadores tienen suerte de encontrar un candidato prometedor. Un paso futuro para el Dr. Livermore será ampliar el dispositivo para el desarrollo farmacéutico. “¿Qué pasaría si pudieras descubrir rápidamente qué candidatos no funcionarán antes de probarlos en humanos? En última instancia, nuestro objetivo es ayudar a acelerar el proceso”.

Otro objetivo es crear sistemas multiorgánicos. "Por ejemplo, el hígado transforma los productos farmacéuticos en otras formas que pueden afectar al corazón", dijo el Dr. Livermore. “¿Podemos crear multiórganos habilitados para origami, 'sistemas en un chip' más grandes, que repliquen la función del hígado y el corazón y cómo interactúan?

“Luego está la medicina personalizada. Es mejor si puedes ofrecer la medicación adecuada la primera vez, en lugar de perder tiempo experimentando. Si podemos ofrecer un buen modelo (y no somos solo nosotros los que trabajamos para lograrlo), se podría probar una gama completa en las células de un paciente para saber qué funciona mejor”.

Más adelante, el Dr. Livermore imagina la ingeniería de tejidos trasplantables basada en origami con estructuras complejas en 3D. “La mayoría de los tejidos trasplantables (vejigas o piel que se pueden cultivar en un laboratorio) son básicamente láminas planas. ¿Podemos dar el siguiente paso y llegar al 3D? El enfoque del origami ofrece una complejidad que es mucho más difícil de crear por otros medios”.

¿Intrigado por la relación entre el arte y la ingeniería? La revista SWE explorará esta noción con mayor detalle en el próximo número de la conferencia WE20, de acuerdo con el tema WE20, "Practicar la curiosidad". ¡Manténganse al tanto!

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