Diseñar mejores equipos de protección contra impactos graves para civiles y soldados requiere comprender en detalle cómo responden realmente los tejidos blandos del cuerpo a esos impactos, ya sean causados por conmociones cerebrales, ataques balísticos o heridas por explosión. Investigadores del MIT están desarrollando nuevos geles sintéticos de polímero y disolvente, llamados geles simuladores de tejido, que imitan la respuesta del tejido natural.
Bo Qing, estudiante de posgrado en ingeniería biológica, estudia el impacto de las fuerzas traumáticas en el tejido cerebral de roedores y modela sustitutos sintéticos para comprender mejor cómo prevenir este tipo de lesiones. «Si podemos diseñar un material que imite esta respuesta al impacto, sería muy útil como modelo de lesión y para evaluar nuevos equipos de protección que puedan minimizar este daño», explica Qing, quien trabaja bajo la supervisión de la profesora asociada del MIT Krystyn J. Van Vliet.
«Queremos estudiar cómo responden al impacto los tejidos biológicos, como el cerebro, el corazón y el hígado, y luego encontrar imitaciones sintéticas que puedan reproducir esas respuestas, porque serán muy útiles, por ejemplo, para que el Ejército diseñe nuevas estrategias de protección y comprenda cómo se producen realmente las lesiones», afirma Qing.
Qing estudia geles multicapa a base de polidimetilsiloxano (PDMS), elásticos y transparentes, como modelos del tejido cerebral. Anteriormente, el grupo de Van Vliet identificó composiciones específicas de gel de PDMS reticulado que reproducían de cerca la respuesta al impacto del tejido cardíaco.
«En esencia, se trata de una red de PDMS reticulada químicamente y cargada con un disolvente de PDMS. Hay muchas variaciones de estos geles; básicamente, podemos ajustar la proporción estequiométrica entre el reticulante y la base polimérica, el peso molecular del disolvente de PDMS y la cantidad de disolvente que se utiliza en estos distintos tipos de gel», afirma Qing.
El trabajo cuenta con el apoyo del Laboratorio de Investigación del Ejército de Estados Unidos, que proporciona algunos de los organogeles. Qing sintetiza la capa superior utilizando otro tipo de PDMS disponible comercialmente, sin el disolvente. «En cuanto a esa capa superior, algunas propiedades que varío son su rigidez y su grosor, para ajustar la respuesta general del material al impacto y hacerla coincidir con la de los tejidos que nos interesan», explica. Qing, de 23 años, cursa el segundo año de un doctorado y espera terminarlo en 2018. Obtuvo su licenciatura en la Universidad de California en Berkeley.
El reto de la pegajosidad
Trabajar con sustitutos de tejidos extremadamente blandos, o flexibles, como los tejidos cerebrales plantea algunos retos especiales, afirma Qing. «Cuando se trabaja con geles sintéticos, al alcanzar cierto nivel de rigidez, si se intenta reducirlo más, los geles se vuelven muy, muy pegajosos, por lo que resulta muy difícil trabajar con ellos, especialmente en mi caso, porque trabajo con pequeños volúmenes de material y analizo la respuesta haciendo contacto físico con la superficie del gel», dice.
La investigadora principal, Van Vliet, afirma que es más difícil reproducir tejidos blandos con materiales diseñados, como los geles, que imitar tejidos duros como el hueso con sustitutos metálicos o cerámicos. «Cuando se trata de estos “tejidos blandos”, como el corazón, el cerebro y el hígado, su fabricación es más compleja», explica. «Se utilizan polímeros en lugar de metales y cerámicas. Hay muchos parámetros que se pueden ajustar, pero por lo general están vinculados entre sí, de modo que, a medida que el material se vuelve menos rígido, también se vuelve cada vez más pegajoso, por ejemplo. Esto no siempre ocurre en los tejidos, pero sí en muchos polímeros diseñados».
«Bo está generando algunos de los primeros datos sobre el tejido cerebral mediante este método y luego utiliza el mismo enfoque para entender cómo se pueden diseñar polímeros que igualen las propiedades del tejido o lo protejan», afirma Van Vliet. «Podríamos fabricar un material muy, muy complejo que se pareciera al tejido cerebral y tuviera varias capas, de sustancia blanca y gris, pero ese no es realmente el objetivo. El objetivo es fabricar un material lo más sencillo posible que imite el comportamiento mecánico de interés, para poder producir después grandes cantidades a escala».
Altas tasas de impacto
Qing, quien cuenta con una beca de posgrado en Ciencia e Ingeniería de la Defensa Nacional, realiza pruebas de impacto con un nanoindentador tanto en tejido de roedores como en sustitutos de gel, a fin de establecer parámetros para mediciones precisas. El montaje experimental impulsa una sonda montada en un péndulo contra el material a altas tasas de impacto. «Lo que se obtiene es el desplazamiento de la sonda en función del tiempo y, a partir de estos resultados, podemos analizar los datos para determinar aspectos como la resistencia del material a la penetración, según la profundidad máxima que la sonda pudo alcanzar en el material», explica Qing. «A partir de estos distintos rebotes, podemos analizar básicamente cuánta energía de impacto se disipa y con qué rapidez».
Cada experimento de impacto e indentación dura aproximadamente tres segundos, aunque el tiempo de preparación es mucho mayor. La carga de impacto se mide en milinewtons. Las pruebas se repiten con distintas fuerzas y velocidades de impacto. «He estado caracterizando las respuestas al impacto de todo tipo de tejidos y luego diseñando geles sintéticos con las mismas propiedades de respuesta al impacto», afirma Qing.
«La naturaleza ha cubierto un amplio espacio de diseño al que en realidad no tenemos acceso por ahora», afirma Van Vliet. «Pero, mediante experimentos como los de Bo, la comunidad está aprendiendo a ajustar, por ejemplo, la rigidez de un material independientemente de la rapidez con que disipa la energía del impacto. Aún queda mucho por aprender sobre cómo imitar los tejidos y también sobre cómo mantener la sencillez y el bajo coste para poder fabricar estos materiales a gran escala».
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: Denis Paiste es colaborador de MIT News.
Imagen: Modelos frenológicos de yeso de cabezas que muestran distintas partes del cerebro, expuestos en la Wellcome Collection de Londres el 27 de marzo de 2012. REUTERS/Chris Helgren.
