Los científicos de la Universidad de Princeton utilizaron herramientas de impresión listas para usar para crear un oído funcional que pueda "escuchar" frecuencias de radio mucho más allá del rango de la capacidad humana normal.

El propósito principal de los investigadores fue explorar un medio eficiente y versátil para fusionar la electrónica con el tejido. Los científicos utilizaron la impresión 3D de células y nanopartículas seguida de cultivo celular para combinar una pequeña antena en espiral con cartílago. creando lo que ellos llaman un oído biónico.

"En general, existen desafíos mecánicos y térmicos con la interfaz de materiales electrónicos con materiales biológicos, "dijo Michael McAlpine, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial en Princeton e investigador principal. "Previamente, Los investigadores han sugerido algunas estrategias para adaptar la electrónica de modo que esta fusión sea menos incómoda. Eso suele ocurrir entre una hoja 2D de componentes electrónicos y una superficie del tejido. Sin embargo, nuestro trabajo sugiere un nuevo enfoque:construir y hacer crecer la biología con la electrónica de forma sinérgica y en un formato entrelazado en 3D ".

El equipo de McAlpine ha realizado varios avances en los últimos años relacionados con el uso de antenas y sensores médicos a pequeña escala. El año pasado, un esfuerzo de investigación dirigido por McAlpine y Naveen Verma, un profesor asistente de ingeniería eléctrica, y Fio Omenetto de la Universidad de Tufts, resultó en el desarrollo de un "tatuaje" compuesto por un sensor biológico y una antena que se puede fijar a la superficie de un diente.

Este proyecto, sin embargo, es el primer esfuerzo del equipo para crear un órgano completamente funcional:uno que no solo replica una habilidad humana, pero lo amplía utilizando electrónica integrada

"El diseño e implementación de órganos y dispositivos biónicos que mejoran las capacidades humanas, conocida como cibernética, ha sido un área de creciente interés científico, "escribieron los investigadores en el artículo que aparece en la revista académica Nano letras . "Este campo tiene el potencial de generar repuestos personalizados para el cuerpo humano, o incluso crear órganos que contengan capacidades más allá de las que proporciona la biología humana ".

La ingeniería de tejidos estándar implica la siembra de tipos de células, como los que forman el cartílago de la oreja, sobre un andamio de un material polimérico llamado hidrogel. Sin embargo, los investigadores dijeron que esta técnica tiene problemas para replicar complicadas estructuras biológicas tridimensionales. La reconstrucción de orejas "sigue siendo uno de los problemas más difíciles en el campo de la cirugía plástica y reconstructiva, " ellos escribieron.

Para resolver el problema, el equipo recurrió a un enfoque de fabricación llamado impresión 3D. Estas impresoras utilizan un diseño asistido por computadora para concebir objetos como matrices de láminas delgadas. Luego, la impresora deposita capas de una variedad de materiales, desde plástico hasta celdas, para construir un producto terminado. Los defensores dicen que la fabricación aditiva promete revolucionar las industrias domésticas al permitir que pequeños equipos o personas creen trabajos que antes solo podían realizar las fábricas.

La creación de órganos mediante impresoras 3D es un avance reciente; varios grupos han informado que han usado la tecnología para este propósito en los últimos meses. Pero esta es la primera vez que los investigadores han demostrado que la impresión 3D es una estrategia conveniente para entrelazar el tejido con la electrónica.

La técnica permitió a los investigadores combinar la electrónica de la antena con tejido dentro de la topología altamente compleja de un oído humano. Los investigadores utilizaron una impresora 3D común para combinar una matriz de hidrogel y células de ternera con nanopartículas de plata que forman una antena. Las células de la pantorrilla luego se convierten en cartílago.

Manu Mannoor, estudiante de posgrado en el laboratorio de McAlpine y autor principal del artículo, Dijo que la fabricación aditiva abre nuevas formas de pensar en la integración de la electrónica con el tejido biológico y hace posible la creación de verdaderos órganos biónicos en forma y función. Dijo que podría ser posible integrar sensores en una variedad de tejidos biológicos, por ejemplo, para controlar la tensión en el menisco de la rodilla de un paciente.

David Gracias, profesor asociado en Johns Hopkins y coautor de la publicación, dijo que cerrar la brecha entre la biología y la electrónica representa un desafío formidable que debe superarse para permitir la creación de prótesis e implantes inteligentes.

"Las estructuras biológicas son blandas y blandas, compuesto principalmente de agua y moléculas orgánicas, mientras que los dispositivos electrónicos convencionales son duros y secos, compuesto principalmente de metales, semiconductores y dieléctricos inorgánicos, ", dijo." Las diferencias en las propiedades físicas y químicas entre estas dos clases de materiales no podrían ser más pronunciadas ".

La oreja terminada consiste en una antena enrollada dentro de una estructura de cartílago. Dos cables salen de la base de la oreja y se enrollan alrededor de una "cóclea" helicoidal, la parte del oído que detecta el sonido, que se puede conectar a los electrodos. Aunque McAlpine advierte que se deben realizar más trabajos y pruebas exhaustivas antes de que la tecnología pueda usarse en un paciente, Dijo que, en principio, el oído podría usarse para restaurar o mejorar la audición humana. Dijo que las señales eléctricas producidas por el oído podrían conectarse a las terminaciones nerviosas de un paciente, similar a un audífono. El sistema actual recibe ondas de radio, pero dijo que el equipo de investigación planea incorporar otros materiales, como sensores electrónicos sensibles a la presión, para permitir que el oído registre sonidos acústicos.

Además de McAlpine, Verma, Mannoor y Gracias el equipo de investigación incluye:Winston Soboyejo, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en Princeton; Karen Malatesta, miembro de la facultad de biología molecular en Princeton; Yong Lin Kong, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica y aeroespacial en Princeton; y Teena James, estudiante de posgrado en ingeniería química y biomolecular en Johns Hopkins.

El equipo también incluía a Ziwen Jiang, un estudiante de secundaria en la Escuela Peddie en Hightstown que participó como parte de un programa de extensión para jóvenes investigadores en el laboratorio de McAlpine.

"Ziwen Jiang es uno de los estudiantes de secundaria más espectaculares que he visto en mi vida, ", Dijo McAlpine." No hubiéramos podido completar este proyecto sin él, particularmente en su habilidad para dominar los diseños CAD de los oídos biónicos ".