Los investigadores de Caltech han desarrollado un prototipo de dispositivo médico en miniatura que en última instancia podría usarse en "píldoras inteligentes" para diagnosticar y tratar enfermedades. Una clave de la nueva tecnología, y lo que la hace única entre otros dispositivos médicos a microescala, es quesu ubicación puede identificarse con precisión dentro del cuerpo, algo que resultó ser un desafío antes.
"El sueño es que tendremos dispositivos de microescala que deambulan por nuestros cuerpos y diagnostiquen problemas o arreglen cosas", dice Azita Emami, profesora de Ingeniería Eléctrica e Ingeniería Médica e Investigadora del Instituto de Investigación Médica de Heritage de Andrew y Peggy Cherng.co-dirigió la investigación junto con el Profesor Asistente de Ingeniería Química y el Investigador del Instituto de Investigación Médica Heritage Mikhail Shapiro. "Antes de ahora, uno de los desafíos era que era difícil saber dónde se encuentran en el cuerpo".
Un artículo que describe el nuevo dispositivo aparece en la edición de septiembre de la revista Ingeniería biomédica de la naturaleza . El autor principal es Manuel Monge MS '10, PhD '17, estudiante de doctorado en el laboratorio de Emami y becario del Centro de Bioingeniería Rosen en Caltech, y ahora trabaja en una compañía llamada Neuralink. Audrey Lee-Gosselin,técnico de investigación en el laboratorio de Shapiro, también es autor.
Llamados ATOMS, que es la abreviatura de transmisores direccionables que funcionan como giros magnéticos, los nuevos dispositivos con chips de silicio toman prestados los principios de la resonancia magnética MRI, en los que la ubicación de los átomos en el cuerpo de un paciente se determina mediante campos magnéticos.Los microdispositivos también se ubicarían en el cuerpo utilizando campos magnéticos, pero en lugar de depender de los átomos del cuerpo, los chips contienen un conjunto de sensores integrados, resonadores y tecnología de transmisión inalámbrica que les permitiría imitar las propiedades de resonancia magnética de los átomos..
"Un principio clave de la IRM es que un gradiente de campo magnético hace que los átomos en dos ubicaciones diferentes resuenen en dos frecuencias diferentes, lo que hace que sea fácil saber dónde están", dice Shapiro. "Queríamos encarnar este elegante principio en uncircuito integrado compacto. Los dispositivos ATOMS también resuenan a diferentes frecuencias dependiendo de dónde se encuentren en un campo magnético ".
"Queríamos hacer este chip muy pequeño con bajo consumo de energía, y eso conlleva muchos desafíos de ingeniería", dice Emami. "Tuvimos que equilibrar cuidadosamente el tamaño del dispositivo con la cantidad de energía que consume y qué tan biense puede identificar su ubicación "
Los investigadores dicen que los dispositivos aún son preliminares, pero que algún día podrían servir como guardianes robóticos en miniatura de nuestros cuerpos, monitoreando el tracto gastrointestinal, la sangre o el cerebro de un paciente. Los dispositivos podrían medir factores que indican la salud de un paciente, comopH, temperatura, presión, concentraciones de azúcar, y transmitir esa información a los médicos, o incluso los dispositivos podrían recibir instrucciones para liberar medicamentos.
"Podría tener docenas de dispositivos de microescala que viajan por el cuerpo tomando medidas o interviniendo en una enfermedad. Estos dispositivos pueden ser todos idénticos, pero los dispositivos ATOMS le permitirían saber dónde están todos y hablar con todos a la vez,"dice Shapiro. Lo compara con la película de ciencia ficción Fantastic Voyage de 1966, en la que un submarino y su tripulación se reducen a un tamaño microscópico y se inyectan en el torrente sanguíneo de un paciente para curarlo desde adentro, pero, como dice Shapiro, "en lugar de enviar un solo submarino, podría enviar una flotilla".
La idea de ATOMS surgió en una cena. Shapiro y Emami estaban discutiendo sus respectivos campos: Shapiro diseña células para técnicas de imágenes médicas, como MRI, y Emami crea microchips para la detección médica y la realización de acciones en el cuerpo.Cuando tuvieron la idea de combinar sus intereses en un nuevo dispositivo, sabían que localizar microdispositivos en el cuerpo era un desafío de larga data en el campo y se dieron cuenta de que combinar el conocimiento de Shapiro en tecnología de resonancia magnética con la experiencia de Emami en la creación de microdispositivos podría resolver el problema.problema. Monge fue reclutado para ayudar a realizar la idea en forma de un chip de silicio.
"Este chip es totalmente único: no hay otros chips que operen de acuerdo con estos principios", dice Monge. "Integrar todos los componentes en un dispositivo muy pequeño y mantener la energía baja fue una gran tarea". Monge hizo estoinvestigación como parte de su tesis doctoral, que recientemente fue galardonada con el Premio Charles Wilts por el Departamento de Ingeniería Eléctrica de Caltech.
El chip prototipo final, que se probó y demostró que funciona en ratones, tiene una superficie de 1,4 milímetros cuadrados, 250 veces más pequeño que un centavo. Contiene un sensor de campo magnético, antenas integradas, un dispositivo de alimentación inalámbrico y uncircuito que ajusta su señal de radiofrecuencia en función de la intensidad del campo magnético para transmitir de forma inalámbrica la ubicación del chip.
"En la resonancia magnética convencional, todas estas características se encuentran intrínsecamente en los átomos", dice Monge. "Tuvimos que crear una arquitectura que las imita funcionalmente para nuestro chip".
Si bien el chip prototipo actual puede transmitir su ubicación en el cuerpo, el siguiente paso es construir uno que pueda transmitir su ubicación y detectar los estados del cuerpo.
"Queremos construir un dispositivo que pueda atravesar el tracto gastrointestinal y no solo decirnos dónde está sino comunicar información sobre las distintas partes del cuerpo y cómo están funcionando".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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