Microtecnologías con aplicaciones en Ciencias de la Salud

“Amor y atención al prójimo con ciencia y tecnología nacional”

 

 

En la era actual los chips ofrecen capacidades sin límite, con impacto creciente en nuestra vida cotidiana: primero computadoras y tabletas, luego diversidad de sistemas con chip (productos computarizados) tales como los teléfonos celulares, pantallas inteligentes, hornos de microondas, hasta las estratégicas telecomunicaciones satelitales.

Desde las aplicaciones industriales y sistemas de navegación, ahora los chips abordan con gran impacto el sector salud, no sólo en sistemas de diagnóstico como los ultrasonidos, también en nuevos sensores biomédicos. Pero, ¿cómo es esto posible?, pues con base en la ciencia de materiales y las ciencias químicas, cuyos avances evolucionan los complejos procesos de fabricación de los chips hacia el campo de los sensores inteligentes (sistemas electrónicos), adaptables a un nuevo ámbito de uso cuando son implantados en el cuerpo humano. Esto es factible porque los sistemas electrónicos son recubiertos con algún tipo de polímero, logrando que el organismo no rechace el sistema electrónico implantado. Esto último se llama biocompatibilidad, los chips de uso biomédico deben ser encapsulados con un material que les permita estar residentes, sin reacción de rechazo, en alguna parte del organismo vivo. Es importante señalar que la mayoría de los materiales y metales de uso común en los circuitos fabricados con técnicas de microelectrónica, son tóxicos para el organismo.

Estas técnicas de fabricación de sensores inteligentes suelen llamarse Microtecnologías para el desarrollo de Sistemas Microelectromecánicos (MEMS). Ejemplo de MEMS implantables son los marcapasos para regular el ritmo cardiaco o bien los implantes cocleares para resolver problemas de sordera aguda. ¿Podemos desarrollar nuestras propias microtecnologías para el sector salud? La respuesta contundente es sí.

Las tecnologías de MEMS evolucionan hacia chips novedosos, los cuales han sido abordados con éxito en nuestro país, siempre a nivel investigación. El ejemplo más consistente se documenta en el Laboratorio de Innovación en MEMS (LI-MEMS) del INAOE. Esta contribución está relacionada con el proyecto de investigación “Diseño y fabricación de un sensor de presión capacitivo implantable para monitorear presión intraocular”, que actualmente se encuentra en desarrollo en el INAOE. Este estudio se realiza en colaboración con oftalmólogos de la Asociación Para Evitar la Ceguera (APEC). A continuación, se detallan algunos conceptos.

El término diseño implica que los ingenieros capacitados en MEMS y Fisiología, identifican una variante de prototipo a mejorar para algún estudio clínico o terapia, después utilizan un programa de computadora con módulos para idear físicamente un chip con características electromecánicas y químicas, tal que una vez desarrollado, pueda adaptarse en algún tipo de implante. La fabricación consiste en que el diseño a nivel computadora puede reproducirse en el laboratorio, utilizando materiales para microelectrónica y muy especialmente algunos tipos de polímeros, de manera que el sistema fabricado sea tolerado por el organismo vivo.

Un sensor de presión es un elemento mecánico con chip, cuyo diseño específico le permite medir la magnitud de la fuerza en sus distintas variantes, tal como la presión, aun en ámbitos de dimensiones reducidas, como lo es el interior de una arteria. Un caso particular es la medición precisa de la presión arterial, la fuerza de impulso para que la sangre fluya de manera regulada en las venas. La presión arterial, medida con precisión y de forma continua, permite aproximar el estado real de funcionamiento del corazón.

En el prototipo comercial CardioMEMS, el sensor se aloja en la arteria pulmonar, aquí la presión sanguínea actúa sobre una delgada zona en el sensor, la membrana, donde se genera una señal eléctrica proporcional a la presión, señal que mediante un bloque de transmisión inalámbrica, se envía hacia un monitor externo de lectura. La dimensión reducida del prototipo sensor permite su implante y funcionamiento estable, como monitor directo para identificar rápidamente eventos de riesgo cardiaco para el paciente.

En el caso de la Presión IntraOcular (PIO), se trata de un parámetro que representa la fuerza interna de fluido del humor acuoso en las diferentes secciones del globo ocular. El humor acuoso sirve para nutrir y oxigenar la estructura interna del globo ocular que no tiene aporte sanguíneo, como la córnea y el cristalino. En un contexto general, cuando el ojo humano funciona de manera estable, la magnitud de la PIO oscila en el rango de 10-20 milímetros de mercurio (mmHg). Cuando la PIO se eleva de manera constante hacia magnitudes mayores a 20 mmHg, significa que el fluido a través de los canales se deteriora, no existe sensación alguna y a mediano plazo el paciente manifiesta pérdida gradual de la visión, esta disfunción se denomina glaucoma. Clínicamente el humor acuoso es importante porque el balance entre su producción y fluido condicionan la PIO. El glaucoma es una enfermedad compleja que involucra múltiples factores. De no existir tratamiento clínico alguno, el paciente con glaucoma tiende a la ceguera aguda, principalmente por daños a la retina y al nervio óptico.

De acuerdo con reportes de investigación clínica, algunos pacientes bajo tratamiento médico por glaucoma, experimentan frecuentes elevaciones de la PIO, lo que conduce a problemas irreversibles de visión en los pacientes reportados en situación bajo control. Por esta situación, el especialista requiere de una rutina de medición constante de la PIO, a fin de poder predecir y controlar la evolución de los efectos del glaucoma.

Comúnmente la PIO se mide utilizando un dispositivo óptico llamado tonómetro. El procedimiento de medición de la PIO es un método molesto para la córnea, procedimiento que no es práctico que se utilice con frecuencia diaria y además arroja ciertas imprecisiones. Estas características no son apropiadas para el seguimiento continuo de la PIO, tal como lo requiere el oftalmólogo. Por esta situación se ha propuesto el desarrollo de dispositivos de lectura continua de la PIO utilizando tecnología de MEMS. Idealmente se requiere de un dispositivo implantable en algún sitio del globo ocular que permita la lectura oportuna, pero en la actualidad no existe un producto comercial efectivo para el monitoreo continuo de glaucoma.

El proyecto del CD-MEMS INAOE está propuesto para lograr un micro-sensor de PIO implantable en la cámara anterior del ojo humano. Con estudios anatómicos ya realizados, esta innovación en fase de desarrollo a nivel laboratorio, consiste de un sensor capacitivo y un circuito electrónico telemétrico que posibilite enviar las mediciones de presión hacia un dispositivo lector externo. Para ello se está utilizando el LI-MEMS y novedosos procesos de fabricación con polímeros para que el prototipo sea biocompatible.

El papel de las microtecnologías desarolladas en el CD-MEMS INAOE México, en colaboración con médicos especialistas, dan las condiciones para abordar el estudio de prototipos tal como el sensor de PIO, del cual no hay producto alguno disponible en el mercado. Este tipo de desarrollos nos permite atender una necesidad de diagnóstico preciso y oportuno en un problema de salud con gran impacto en la población mundial.

 

* wcalleja@inaoep.mx