Crean un hilo robot que puede deslizarse a través de los vasos sanguíneos del cerebro y salvar vidas

Imagen del MIT que muestra al robot hilo deslizándose en vasos sanguíneos simulados

Ingenieros del MIT (Instituto Tecnológico de Massachussets) han desarrollado un hilo robótico que puede deslizarse activamente a través de deslizarse a través de caminos estrechos y sinuosos, como por ejemplo los vasos sanguíneos del cerebro. El dispositivo controlado magnéticamente podría administrar terapias reductoras de coágulos en respuesta a un accidente cerebrovascular u otros bloqueos cerebrales.

En el futuro, este hilo robótico puede combinarse con las tecnologías endovasculares existentes, lo que permitiría a los médicos guiar de forma remota el robot a través de los vasos cerebrales del paciente para tratar rápidamente bloqueos y lesiones, como las que ocurren en los aneurismas y los accidentes cerebrovasculares.

“El accidente cerebrovascular es la quinta causa de muerte y una de las principales de discapacidad en los Estados Unidos. Si el accidente cerebrovascular agudo se puede tratar dentro de los primeros 90 minutos, las tasas de supervivencia de los pacientes podrían aumentar significativamente”, dijo Xuanhe Zhao, profesor asociado de ingeniería mecánica e ingeniería civil y ambiental en el MIT. “Si pudiéramos diseñar un dispositivo para revertir el bloqueo de los vasos sanguíneos dentro de esta 'hora dorada', podríamos evitar el daño cerebral permanente. Esa es nuestra esperanza”.

Zhao y su equipo, incluido el autor principal Yoonho Kim, un estudiante graduado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, describen su diseño robótico suave en la revista Science Robotics. Los otros coautores del artículo son el estudiante de posgrado del MIT German Alberto Parada y el estudiante visitante Shengduo Liu.

Para eliminar los coágulos de sangre en el cerebro, los médicos a menudo realizan un procedimiento endovascular, una cirugía mínimamente invasiva en la que un cirujano inserta un cable delgado a través de la arteria principal del paciente, generalmente en la pierna o la ingle. Guiado por un fluoroscopio que simultáneamente captura imágenes de los vasos sanguíneos mediante rayos X, el cirujano gira manualmente el cable hacia el vaso cerebral dañado. Luego, se puede enroscar un catéter a lo largo del cable para administrar medicamentos o dispositivos de recuperación de coágulos a la región afectada.

Kim dice que el procedimiento puede ser físicamente agotador, lo que requiere que los cirujanos, que deben estar específicamente entrenados en la tarea, soporten la exposición repetida a la radiación de la fluoroscopia. "Es una habilidad exigente, y simplemente no hay suficientes cirujanos para los pacientes, especialmente en áreas suburbanas o rurales", dice Kim.

Los alambres guía médicos utilizados en tales procedimientos son pasivos, lo que significa que deben manipularse manualmente, y generalmente están hechos de un núcleo de aleaciones metálicas, recubiertas de polímero, un material que Kim dice que podría generar fricción y dañar los revestimientos de los vasos si el alambre se tocara quedar atascado temporalmente en un espacio particularmente estrecho.

El equipo se dio cuenta de que los desarrollos en su laboratorio podrían ayudar a mejorar dichos procedimientos endovasculares, tanto en el diseño de la guía como en la reducción de la exposición de los médicos a cualquier radiación asociada.

En los últimos años, el equipo ha acumulado experiencia tanto en hidrogeles (materiales biocompatibles hechos principalmente de agua) como en materiales accionados magnéticamente impresos en 3D que pueden diseñarse para gatear, saltar e incluso atrapar una pelota, simplemente siguiendo la dirección de un imán.

En este nuevo artículo, los investigadores combinaron su trabajo en hidrogeles y en actuación magnética, para producir un hilo robótico recubierto de hidrogel magnéticamente orientable, o alambre guía, que pudieron hacer lo suficientemente delgado como para guiar magnéticamente a través de una réplica de silicona de tamaño natural de los vasos sanguíneos del cerebro.

El núcleo del hilo robótico está hecho de aleación de níquel-titanio, o "nitinol", un material que es flexible y elástico. A diferencia de una percha, que conservaría su forma cuando se doblara, un alambre de nitinol volvería a su forma original, dándole más flexibilidad para enrollar a través de vasos apretados y tortuosos. El equipo cubrió el núcleo del cable con una pasta gomosa, o tinta, que incrustaron con partículas magnéticas.

Finalmente, utilizaron un proceso químico que desarrollaron previamente, para recubrir y unir la cubierta magnética con hidrogel, un material que no afecta la capacidad de respuesta de las partículas magnéticas subyacentes y, sin embargo, proporciona al cable una superficie suave, libre de fricción y biocompatible.

Demostraron la precisión y activación del hilo robótico mediante el uso de un imán grande, muy parecido a las cuerdas de una marioneta, para dirigir el hilo a través de una carrera de obstáculos de pequeños anillos, que recuerda a un hilo que se abre paso a través del ojo de una aguja.

Los investigadores también probaron el hilo en una réplica de silicona de tamaño real de los principales vasos sanguíneos del cerebro, incluidos coágulos y aneurismas, modelados a partir de las tomografías computarizadas del cerebro de un paciente real. El equipo llenó los vasos de silicona con un líquido que simulaba la viscosidad de la sangre, luego manipuló manualmente un gran imán alrededor del modelo para dirigir el robot a través de los estrechos y sinuosos caminos de los vasos.

Kim dice que el hilo robótico se puede funcionalizar, lo que significa que se pueden agregar características, por ejemplo, para administrar medicamentos reductores de coágulos o romper bloqueos con luz láser. Para demostrar esto último, el equipo reemplazó el núcleo de nitinol del hilo con una fibra óptica y descubrió que podían dirigir magnéticamente el robot y activar el láser una vez que el robot alcanzara una región objetivo.

Cuando los investigadores realizaron comparaciones entre el hilo robótico recubierto y el no recubierto con hidrogel, descubrieron que el hidrogel le dio al hilo una ventaja muy necesaria y resbaladiza, permitiéndole deslizarse a través de espacios más estrechos sin atascarse. En una cirugía endovascular, esta propiedad sería clave para evitar la fricción y las lesiones en los revestimientos de los vasos a medida que el hilo avanza.

"Uno de los desafíos en la cirugía ha sido poder navegar a través de complicados vasos sanguíneos en el cerebro, que tiene un diámetro muy pequeño, donde los catéteres comerciales no pueden llegar", dice Kyujin Cho, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad Nacional de Seúl. "Esta investigación ha demostrado el potencial para superar este desafío y permitir procedimientos quirúrgicos en el cerebro sin cirugía abierta".

¿Y cómo puede este nuevo hilo robótico mantener a los cirujanos libres de radiación? 

Kim dice que una guía magnética orientable elimina la necesidad de que los cirujanos empujen físicamente un cable a través de los vasos sanguíneos de un paciente. Esto significa que los médicos tampoco tendrían que estar cerca de un paciente y, lo que es más importante, del fluoroscopio generador de radiación.

En el futuro cercano, el investigador imagina cirugías endovasculares que incorporan tecnologías magnéticas existentes, como pares de imanes grandes, que los médicos puedan manipular desde afuera de la sala de operaciones, lejos del fluoroscopio que toma imágenes del cerebro del paciente, o incluso en una ubicación diferente

"Las plataformas existentes podrían aplicar el campo magnético y realizar el procedimiento de fluoroscopia al mismo tiempo al paciente, y el médico podría estar en la otra habitación, o incluso en una ciudad diferente, controlando el campo magnético con un joystick", dice Kim. "Nuestra esperanza es aprovechar las tecnologías existentes para probar en un siguiente paso nuestro hilo robótico".

Esta investigación fue financiada, en parte, por la Oficina de Investigación Naval, el Instituto MIT para Nanotecnologías de Soldados y la National Science Foundation (NSF).

Fuente: Nota de prensa del MIT