Neurocientíficos dejan atrás la ciencia ficción y crean el primer ojo biónico con impresión 3D

Ciencia ficción es un término acuñado para aquellas cosas que en nuestra realidad actual no se perciben como reales, o simplemente, no existen aún. La definición formal hace referencia a un género literario que nació a principios del siglo XX con el objetivo de hablar sobre la influencia de la tecnología y de la ciencia en la vida humana, sin embargo, la ciencia ficción marca una pauta o una tendencia hacia la cual apuntan los nuevos avances tecnológicos, tal como sucedió con Julio Verne, en cuyos escritos se adelantó a su época presentando conceptos como las armas eléctricas, equipos de videoconferencias y submarinos.

Muchos de los inventos que han permitido un avance en la sociedad, inicialmente fueron parte de la ciencia ficción, y actualmente forman parte de nuestra vida cotidiana, como los aviones, smartphones, automóviles ecológicos, robots como “Affdex”, que tiene la capacidad de detectar emociones humanas, androides que pueden bailar, conversar, cantar, jugar tenis de mesa, entre otras funciones, y así la lista de creaciones tecnológicas actuales provenientes de la ficción crece vertiginosamente.

El hombre biónico, como pieza mecánica, es otro ejemplo de esta ciencia ficción hecha realidad. La idea del cuerpo humano con reemplazos de sus partes por piezas mecánicas para mejorar su condición de vida, también participa en este desarrollo tecnológico. En la antigüedad, unos 4.000 años a. de C., los egipcios fueron pioneros en esta idea, sustituyendo partes del cuerpo por piezas rudimentarias construidas por ellos mismos. Luego, se llegó a la costumbre de sustituir partes del cuerpo que faltaban, por elementos sencillos como piernas de palo y garfios, tal como quedó plasmado en las historias de piratas.  

Hacia el año 1500 d. de C., con el Renacimiento, la idea del hombre biónico dio un salto vertiginoso con Leonardo Da Vinci, con sus estudios sobre la biomecánica y anatomía humana estudiada en cadáveres. Posteriormente, el cirujano de guerra francés Ambroise Paré (1510-1590) inventó diversas clases de prótesis, entre ellas, la mano metálica conocida como Le Petit Lorraine, prótesis de rodilla e incluso desarrolló una nariz artificial. Seguidamente, en el año 1690, el médico holandés Pieter Verduyn, fabricó la primera pierna completa con una articulación rudimentaria en la rodilla.

Desde entonces este concepto de ver al hombre como un conjunto de piezas armables ha seguido evolucionando y, con esto, han ido mejorando los materiales que se usan para su elaboración, con el fin de asegurar que los mismos sean funcionales y no tóxicos, más anatómicos y generando estrategias para hacerlos más accesibles a las personas de recursos limitados.

Actualmente, la biomecánica está haciendo uso de la impresión en 3D, consistente en una tecnología relativamente nueva, que permite fabricar, por adición de capas, distintos materiales que hayan sido diseñados mediante herramientas informáticas, y que requiere del funcionamiento sincronizado entre la computadora, la impresora y la “tinta” necesaria para imprimir el objeto deseado. Esta técnica ha sido empleada en la fabricación de distintos instrumentos de nuestro día a día, como alimentos, ropa, juguetes y se estima que en los próximos años la construcción de casas se haga por esta vía.

Adicional a todas estas aplicaciones, la impresión en 3D también ha sido empleada en el área de la salud. En este sentido los estudios se han enfocado, en primer lugar, en obtener tejidos y órganos funcionales usando, a modo de tintas, materiales biológicos y células madre, con el fin de tener disponibilidad inmediata de la pieza faltante sin necesidad de esperar por un donante; en segundo lugar, en lograr que el cuerpo del paciente acepte la pieza de reemplazo sin rechazarla; y por último, que la pieza en cuestión pueda acoplarse al individuo y funcionar como la original.

Prótesis visual biónica

Al respecto, recientemente el equipo de Michael McAlphine, del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Minnesota en Estados Unidos, utilizando técnicas de microfabricación no convencional, componentes de origen orgánico y no orgánico, y materiales con distintas capacidades de conducir la electricidad, diseñaron una estructura en forma de ojo que fue impresa capa por capa, la cual demostró ser capaz de transformar la luz proveniente del medio externo en un lenguaje eléctrico que el cerebro es capaz de entender, así como lo hacen nuestros ojos.

En nuestro ojo hay un tejido especializado en convertir la luz proveniente del medio externo en impulsos eléctricos que viajan al cerebro, llevando información visual. Este tejido es conocido como retina y se encuentra formada por varias capas de células diferenciadas, donde cada una tiene una función especial en la conducción de esa información visual. La primera capa de la retina está formada por fotorreceptores que son los encargados de transformar la luz en una señal eléctrica. A continuación, estos se comunican con las neuronas bipolares, que conducen las señales eléctricas hacia las neuronas ganglionares, las cuales con sus prolongaciones neuronales (axones) viajan hacia el cerebro, formando el nervio óptico.

En el estudio, los investigadores imprimieron detectores lumínicos similares a los fotorreceptores de la retina humana. Los materiales empleados en el desarrollo de este equipo permiten la conducción eléctrica desde la capa externa del detector, encargado de captar la luz y generar una corriente eléctrica, hacia las capas más internas y que luego viajará al cerebro, imitando a lo que naturalmente ocurre en el ojo.

De esta manera se pueden distinguir cuatro capas en su elaboración: la capa externa formada por la mezcla de dos componentes, Galio e Indio, es inocua para el ser humano y es usada por sus propiedades de conducción eléctrica. En esta capa se condensa la carga negativa (cátodo), que al estar en contacto con la luz se mueve hacia el interior del detector lumínico buscando la carga positiva (ánodo). Entre ambas capas, se encuentra una mezcla de distintos componentes químicos, cuya función es separar las cargas eléctricas cuando la retina biónica está en reposo o inactiva, además de mantener la eficacia de la conducción eléctrica. La última capa está formada por plata y permite transmitir la señal eléctrica hacia el punto de unión con el nervio óptico.

Un paso crítico en el desarrollo de este diseño fue demostrar que este detector lumínico impreso en 3D era capaz de integrar imágenes avanzadas. Para esto incorporaron los fotodetectores en una película o membrana fabricada con polietileno, el cual es un material de alta flexibilidad y excelente consistencia, permitiendo dar el aspecto esférico al ojo aun cuando los fotodetectores son planos, logrando fabricar un dispositivo artificial que estructuralmente es capaz de funcionar como ojo, faltando solo las pruebas para validarlo como tal.

Con esto último como objetivo, los investigadores decidieron hacer una secuencia de pruebas para evaluar la viabilidad funcional de este nuevo ojo. Para empezar hicieron pruebas de voltaje y de conducción eléctrica, de rugosidad del material y, por último, de funcionalidad, con el objetivo de determinar si este ojo biónico era capaz de discriminar con nitidez distintas imágenes.

Mediante las pruebas señaladas, los investigadores determinaron que el constructo artificial tenía una buena conducción eléctrica y la composición de los materiales era óptima para mantener la firmeza. Más importante aún, este ojo logró diferenciar con claridad la letra M, la figura O y también pudo distinguir un patrón de líneas blancas y negras paralelas entre sí, demostrando que el desarrollo de esta estructura fue completamente funcional y exitoso al menos en el laboratorio, faltando solo las pruebas en humanos.

Esta prótesis constituye el inicio del uso de la impresión en 3D para devolver la vista a personas que ya no la tienen. La proyección hacia el futuro de esta tecnología es mejorar el diseño de este prototipo ocular propuesto por el profesor McAlphine, creando ojos más eficientes, con el fin de restablecer la calidad de vida de muchas personas que por enfermedad o accidente hayan perdido la vista.

De esta manera la tecnología podría haber hecho realidad otra fantasía de la ciencia ficción. Si queremos saber cuáles serán nuestros avances del futuro, debemos observar lo que nos dice la ciencia ficción del presente.

Lea el paper original aquí: Hyun Park S, Su R, Jeong J, et al. 3D Printed Polymer Photodetectors. Advanced Materials. 2018. 30(40) Doi: https://doi.org/10.1002/adma.201803980