Cómo un nuevo profesor está reimaginando los bloques de construcción de la ingeniería.
Dra. Ritu Raman, profesor asistente en el MIT. Foto cortesía de IF/THEN.
La Dra. Raman creció alternando entre India, Kenia y Estados Unidos en una familia de ingenieros. Recuerda con cariño a sus padres construyendo torres de comunicación en aldeas rurales de Kenia, y se inspiró en la ingeniería porque vio que la innovación podía ayudar a resolver los problemas que aquejaban al mundo. También atribuye a su familia el haberle enseñado a ser observadora de su entorno, lo que le permitió desafiar la ingeniería tradicional y dedicarse a un área de investigación relativamente nueva, pero de enorme impacto. Se licenció en Ingeniería Mecánica en la Universidad de Cornell en 2012, y obtuvo un máster (2013) y un doctorado (2016) en Ingeniería Mecánica en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Comenzó a trabajar como becaria posdoctoral en el Laboratorio Langer del MIT, donde abrió su propio laboratorio en 2021. Su laboratorio se centra actualmente en la ingeniería de actuadores biológicos.
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Ingeniería con un giro
¿Con qué construyen los ingenieros? Cuando nos planteamos esta pregunta, solemos pensar en materiales sintéticos (hechos por el hombre).
Por ejemplo, imaginamos a los ingenieros eléctricos que utilizan diferentes componentes conductores y cables para construir dispositivos electrónicos -como teléfonos, televisores y ordenadores- o a los ingenieros civiles que utilizan cemento y madera para construir carreteras y casas. Sin embargo, lo que no suele venir a la mente son los ingenieros que construyen con materiales naturales y vivos, como el ADN o los tejidos vivos. A través de su investigación, la Dra. Ritu Raman está intentando salvar este vacío e incorporar la biología a su ingeniería.
Profesora adjunta de Ingeniería Mecánica en el MIT, la Dra. Raman está ampliando los límites de la ingeniería. Cree que el futuro de la ingeniería respetuosa con el medio ambiente y adaptable reside en el glorioso potencial de la construcción con materiales biológicos o la biofabricación.
¿Cuál es la motivación para elegir materiales biológicos en lugar de sintéticos? Para ilustrar lo que hace únicos a los materiales biológicos, veamos un ejemplo. Imagine que va caminando por la calle y, de repente, su teléfono se cae al suelo y la pantalla se rompe. Ya está, está condenado, tendrá que cambiar la pantalla. Ahora ponte en el lugar del teléfono. Si te cayeras, te harías un rasguño o un corte que se curaría en pocos días, sin ningún problema. Las células de tu cuerpo detectarían la lesión y coordinarían una respuesta adecuada.
Esta capacidad de percibir, procesar y adaptarse al entorno es lo que hace que los materiales vivos (como las células que componen nuestro cuerpo) sean un material de construcción único e insustituible. Esto es lo que intriga a Raman; insiste en que "ningún material sintético o máquina que hayamos construido hasta la fecha puede igualar el nivel de inmensa complejidad y capacidad de respuesta innata que se observa en los sistemas biológicos".
¿Qué son los actuadores biológicos?
Un actuador es un dispositivo que toma alguna forma de energía (electricidad, presión hidráulica o presión de aire) para producir un movimiento controlado.
Las máquinas complejas, como los robots, están formadas por múltiples actuadores que trabajan conjuntamente con señales eléctricas para producir el movimiento. En el cuerpo humano, los músculos y los tendones son actuadores que trabajan conjuntamente con nuestro cerebro y nuestro sistema nervioso (formado por la médula espinal y los nervios) para ayudarnos a sentir y adaptarnos a nuestro entorno.
Para ilustrar la diferencia entre los actuadores abióticos y bióticos (artificiales y naturales), consideremos la maquinaria de un robot en comparación con nuestro cuerpo. El brazo de un robot sólo se moverá en la medida en que esté programado. Del mismo modo, el robot no se hará más fuerte ni adquirirá una mayor amplitud de movimiento si le ordenamos repetidamente que realice el mismo movimiento.
Ahora imagina que eres tú. Supón que empiezas a levantar pesas todos los días. Con el paso del tiempo, notarás que te haces más fuerte y eres capaz de levantar pesos cada vez más pesados. Esto se debe a que tus músculos se adaptan a las señales que reciben de tu cerebro. A medida que cambias tus hábitos, tus músculos también cambian. Esto es lo que hace que los actuadores biológicos sean tan impresionantes.
¿Cómo se construyen los actuadores biológicos?
Recientemente se han producido avances tecnológicos que permiten a los bioingenieros, como Raman, construir con materiales biológicos. Ella está interesada en la ingeniería de tejidos musculares vivos. Para entender cómo diseñar este tejido, primero hay que comprender cómo este sistema biológico envía y recibe señales para coordinar el movimiento muscular.
El músculo esquelético está compuesto por largas fibras, llamadas miofibrillas, que están formadas por dos proteínas: miosina y actina. Cuando los músculos reciben señales en forma de impulsos eléctricos del sistema nervioso central (SNC), las miofibrillas se deslizan entre sí permitiendo que el músculo se contraiga y se expanda. Esto produce el movimiento.
También se envía información sobre el músculo al SNC. Esta red neuromuscular (músculos + sistema nervioso) permite la comunicación de ida y vuelta entre el músculo y el cerebro. Por ejemplo, si decides correr una maratón, primero tu cerebro enviará una señal a los músculos de tus piernas, permitiéndote correr y tomar impulso. Cuando hayas alcanzado el límite de tu resistencia, tus piernas empezarán a doler y tu cerebro recibirá señales de que tus músculos se están cansando y podrían necesitar descansar. Así, tu SNC y las fibras musculares se coordinan para producir y mantener el movimiento.
Este sistema parece bastante complejo, así que ¿cómo lo hacemos en un laboratorio? Los científicos, entre los que se encuentra la Dra. Raman, siguen trabajando en el desarrollo de formas fiables de fabricar estos tejidos vivos. Pero hay avances prometedores en la ingeniería de tejidos del músculo esquelético que proporcionan un primer paso en la construcción de una red neuromuscular desde cero.
Para empezar a fabricar el tejido muscular esquelético en un laboratorio, primero necesitamos células, que son los bloques de construcción de los tejidos. En el caso de las fibras musculares, estas células se denominan mioblastos. Se dividen y diferencian (adquieren funciones únicas) para formar miofibrillas.
Una vez que tenemos los mioblastos, tenemos que proporcionarles los nutrientes que necesitan para crecer y dividirse hasta convertirse en el tejido real. En el caso de los músculos de nuestro cuerpo, nuestros huesos proporcionan un andamio que permite que el músculo crezca a su alrededor. En el caso de los tejidos creados en el laboratorio, estos andamios suelen imprimirse en 3D. Lo bueno de construir con materiales vivos es que pueden autoensamblarse. Cuando se les proporcionan las condiciones de crecimiento adecuadas y un andamio apropiado, crecen (como se supone que lo hacen las células) y se autoensamblan en tejidos tridimensionales.
Impresión 3D
La impresión 3D es el proceso de construcción de objetos tridimensionales mediante capas 2D apiladas unas sobre otras. Cualquier objeto (siempre que su geometría no desafíe la física) puede imprimirse con esta técnica. Las impresoras 2D normales utilizan tinta como medio para producir imágenes en papel. Las impresoras 3D, en cambio, pueden imprimir utilizando diversos medios, como plásticos, metales y cerámica, dependiendo de lo que usted, el usuario, necesite. Así, si quiero imprimir un cubo de plástico, la impresora 3D tomará el plástico que quiero imprimir, lo fundirá a una temperatura alta, alrededor de 200ºC (para que se vuelva lo suficientemente blando como para fluir), y utilizará su boquilla para imprimir formas específicas. A medida que el plástico se enfría, cada capa se solidifica, dando lugar a un objeto tridimensional acabado. Para un cubo, la impresora 3D imprimirá cuadrados, capa por capa (cada capa es muy fina, normalmente una décima de milímetro), hasta que se imprima un cubo.
Gracias a la tecnología de impresión 3D, podemos construir andamios que permitan el crecimiento del músculo esquelético. La impresión en 3D está avanzando de manera que incluso podemos utilizar células como entrada, lo que nos permite imprimir directamente estructuras celulares en 3D.
Un futuro con actuadores biológicos
Ahora que hemos construido músculo esquelético en el laboratorio, ¿qué hacemos con él? Dado que los actuadores biológicos tienen propiedades únicas que les permiten sentir y responder a su entorno, una de las principales aplicaciones en las que está interesada la Dra. Raman es la terapéutica. Muchas personas sufren enfermedades o traumas que limitan su movilidad y afectan a su calidad de vida. Algunas personas nacen sin extremidades y otras las pierden en accidentes devastadores. La tecnología médica protésica permite a muchas personas recuperar la movilidad, pero una prótesis es estática y no puede crecer ni fortalecerse con el tiempo.
El objetivo de Raman es crear dispositivos biohíbridos implantables que puedan detectar y adaptarse a las necesidades de nuestro cuerpo en tiempo real. Así, si el implante protésico se lesiona, puede curarse a sí mismo. Si la persona hace ejercicio con regularidad, la prótesis puede fortalecerse. Los implantes biohíbridos revolucionarán la medicina personalizada de forma segura y sostenible, ya que se adaptarán a las necesidades precisas de cada paciente. El uso de actuadores biológicos en las prótesis devolverá la movilidad, hará avanzar la salud humana y mejorará la calidad de vida de muchas personas.
Foto cortesía de IF/THEN Collection
Escrito por Manasvi Verma
Traducido por Salva Rosauro Alcaraz
Editado por Katie Fraser, Jackie Lodman, Madelyn Leembruggen
Ilustrado por Lindsey Oberhelman
Fuentes primarias:
Ritu Raman por The Works Museum
Engineered neuromuscular actuators for medicine, meat, and machines por Ritu Raman in RMS Bulletin 2021
Modeling muscle por Ritu Raman in Science 2019
Biofabrication por Ritu Raman
Recursos adicionales:
Aprende más sobre los músculos viendo este video
Mire este video para obtener más información sobre los robots bioinspirados
¡Aprenda más sobre actuadores y músculos!
Profundizar (10-20 minutos): Observe cómo se contraen los músculos usando mecanismos moleculares.
Crear (2-3 horas): con la ayuda de un adulto, utilice el software gratuito Tinkercad para crear un diseño 3D que podría hacerse con una impresora 3D. Opcional: pregúntele a su bibliotecario local o escolar si hay una impresora 3D que pueda aprender a usar.
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