Ganadores de la beca Stanford Advanced Materials College para 2021

Labeca universitaria 2021 de SAM se centra en el impacto de las nuevas tecnologías y los nuevos materiales para nuestra sociedad. Los materiales avanzados nos han traído un futuro brillante, pero sigue habiendo varios problemas tecnológicos. Por ello, SAM invitó a los estudiantes a hablar sobre qué problema tecnológico planteará el mayor reto en la próxima década. SAM también les pidió que compartieran proyectos anteriores que hubieran resuelto un problema utilizando materiales avanzados.

En los últimos meses hemos recibido unos 150 ensayos y 20 vídeos. Todos estos estudiantes han hecho un buen trabajo y esperamos que consigan grandes logros en el futuro.

Finalmente, hemos seleccionado a dos ganadores.

Madeline Brown
de la Universidad de California, San Diego

Carta de agradecimiento de Madeline Brown

Alex Guerra
de la Universidad Estatal de San José

Carta de agradecimiento de Alex Guerra

Aquí están sus presentaciones.

Ensayo - Madeline Brown

El fin del bisturí: una mirada al futuro de la cirugía

A medida que el campo de la medicina ha ido avanzando, una práctica se ha quedado anclada en el pasado arcaico. Independientemente de los avances tecnológicos en el campo de la cirugía, la práctica de abrir activamente el cuerpo humano mediante una incisión evoca imágenes de las prácticas bárbaras de la medicina primitiva. No sólo expone al cuerpo a enfermedades a través de microbios resistentes a los antibióticos, sino que una incisión de cualquier tipo acumulará tejido cicatricial: un recuerdo posquirúrgico extremadamente doloroso para cualquier paciente. No será fácil resolver este problema, pero la utilización de materiales avanzados lo hace posible.

Mi pasión por mejorar los métodos quirúrgicos empezó cerca de casa, con mi madre. A mitad de mi primer año de universidad, mi madre descubrió que necesitaba una sustitución de una válvula cardiaca. La operación se llevó a cabo mediante un procedimiento mínimamente invasivo: una incisión en la axila derecha a través de una arteria hasta la válvula afectada. Después de la operación, mi hermano y yo nos quedamos con ella en la sala de recuperación; fue en esta sala donde me di cuenta de que la cirugía moderna era defectuosa. Todo el tiempo sintió dolor, pero no era el corazón lo que le dolía: era la incisión. A medida que pasaba el tiempo después de la intervención, la gestión de las complicaciones asociadas a la incisión se hizo ardua. En un esfuerzo por prevenir la infección, las limpiezas diarias y los cambios de vendaje se convirtieron en la norma. Aunque se siguieron al pie de la letra las instrucciones posquirúrgicas, mi madre seguía sufriendo dolor en la zona de la incisión, probablemente debido a la acumulación de tejido cicatricial.Esta idea de que el dolor era innecesario fue lo que me impulsó a crear un método quirúrgico que pudiera prevenir la formación de cicatrices antes de que aparecieran: un método quirúrgico sin incisión.

La solución para avanzar en la cirugía sería una aplicación estratégica de dispositivos de administración de fármacos. A saber, una combinación de partículas porosas de silicio y un polímero. Las ventajas de este sistema híbrido se hacen patentes al analizar sus componentes. Las partículas de silicio pueden ajustarse para contener cargas específicas de fármacos, mientras que el polímero se utilizaría para evitar que las partículas migren a zonas no deseadas. El atractivo de este método radica en que puede adaptarse a las necesidades de cada paciente y en que es prácticamente no invasivo. Por ejemplo, si un paciente sufre un ictus isquémico, para dispersar el coágulo se pueden guiar partículas de silicio cargadas con t-PA por el torrente sanguíneo hasta el lugar del coágulo y actuar para dispersarlo. Esto resulta especialmente ventajoso, ya que dirige el t-PA potencialmente tóxico a un punto aislado y tiene la capacidad de ser lo más eficaz posible en la eliminación del coágulo.

Si dispusiera de fondos suficientes, empezaría a probar las capacidades de un sistema híbrido de administración de fármacos polímero-silicio poroso. Elandamio para las partículas cargadas de fármaco sería la policaprolactona (PCL), ya que este polímero aprobado por la FDA ha demostrado encapsular eficazmente nanopartículas de sil icio[1]. En segundo lugar, las partículas porosas de silicio se producirían mediante grabado electroquímico [2], estas partículas tienen la capacidad única de ser afinadas para cargar diversos fármacos. El "ajuste" puede lograrse alterando la porosidad y el tamaño de las partículas, optimizando ambas características para acomodar adecuadamente una carga útil elegida. Dependiendo de la función prevista del sistema de suministro de polímeros de partículas híbridas, el fármaco cargado variaría. Por ejemplo, si estuviera centrado en la revascularización de tejidos, cargaría diversas formas de VEGF (cada una de las cuales ha demostrado tener un efecto diferente en la vascularización) en las partículas de silicio. Una vez cargadas las partículas de silicio poroso con el fármaco deseado, podrían incorporarse al PCL mediante nebulización por pulverización: combinar las dos soluciones y pulverizarlas con un aerógrafo[3]. [3] Cuando se dispara fuera del aerógrafo, el PCL formará fibras orientadas que, cuando se enfocan, forman un parche. Dicho parche puede cortarse a medida e introducirse en el cuerpo mediante un trocar, reduciendo así el impacto de una incisión al de una vacuna de gran tamaño.

Para realizar procedimientos más complejos, hay que utilizar un cuadro de combinaciones de partículas y polímeros: partículas para realizar y cerrar incisiones, favorecer la cicatrización, etc. Cada una exigiría su propio proceso de investigación por separado, sin embargo, cuando se unieran, el sistema revolucionaría la medicina. Al fin y al cabo, un sistema quirúrgico administrado mediante una inyección daría lugar a un proceso no sólo menos susceptible a las infecciones resistentes a los antibióticos, sino también a la acumulación de tejido cicatricial doloroso.

La evolución de la medicina depende de que se reconozcan sus escollos, por pequeños que sean para un observador. En elcaso de la cirugía moderna, hemos caído en el ritmo de causar daño alos pacientes paracurar sus dolencias. Aunque parezca un noble compromiso, no debemos olvidar el juramento que todos los médicos han hecho: "primum non nocere", no hacer daño. Así pues, para servir a los pacientes de la mejor manera posible, debemos encontrar la forma de abandonar el bisturí en favor de técnicas nano y microinvasivas. Al adoptar estas técnicas, podemos ampliar los límites de la medicina para adoptar realmente la máxima de no hacer daño.

Citas

[1]Zuidema, J. M., Dumont, C. M., Wang, J., Batchelor, W. M., Lu, Y.-S., Kang, J., Bertucci, A., Ziebarth, N. M., Shea, L. D., Sailor, M. J., Porous Silicon Nanoparticles Embedded in Poly(lactic-co-glycolic acid) Nanofiber Scaffolds Deliver Neurotrophic Payloads to Enhance Neuronal Growth. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2002560. https://doi.org/10.1002/adfm.202002560

[2]Qin, Z., Joo, J., Gu, L. y Sailor, M.J. (2014), Control de tamaño de nanopartículas porosas de silicio mediante grabado electroquímico por perforación. Part. Part. Syst. Charact., 31: 252-256. https://doi.org/10.1002/ppsc.201300244

[3]Zuidema, J. M., Kumeria, T., Kim, D., Kang, J., Wang, J., Hollett, G., Zhang, X., Roberts, D. S., Chan, N., Dowling, C., Blanco-Suarez, E., Allen, N. J., Tuszynski, M. H., Sailor, M. J., Adv. Mater. 2018, 30, 1706785. https://doi.org/10.1002/adma.201706785

Vídeo - Alex Guerra