Carbono y C-MEMS: Materiales y tecnologías para dispositivos médicos avanzados
El desarrollo tecnológico es una constante innegable de la
sociedad actual. Parece que con cada día que pasa tenemos
un nuevo desarrollo, ya sea desde teléfonos inteligentes, automóviles eléctricos o increíbles redes de satélites que llevan
internet a cada rincón del planeta. Sin embargo, enfrentamos
varias problemáticas complejas, como la salud pública, para
las cuales parece que no importa la cantidad de trabajo que les
dediquemos, no logramos resolver.
Esto no es debido a falta de interés por parte de investigadores o a falta de inversión en proyectos que busquen ayudar
a lograr un nivel mejor de salud pública. No se ha logrado
resolver completamente pues es simplemente un problema
tan complicado con tantas variaciones como personas vivas
tenemos en el mundo.
Esto parece contradictorio. ¿Cómo, teniendo tantos
avances tecnológicos, no hemos logrado explotar esa misma
tecnología para mejorar la salud pública? La verdad, es que
sí lo hemos hecho. Por mencionar uno, los marcapasos son
un ejemplo clásico de una tecnología que se ha refinado y
mejorado a lo largo de los años para mejorar la salud de los
pacientes.
Estos dispositivos implantables utilizan la electricidad para estimular el corazón y mantener un ritmo cardíaco
Coordinación de Sistemas
Mecánicos Energéticos
y de Transporte
saludable. Las versiones modernas de estos dispositivos son
cada vez más pequeñas y eficientes, algunas incluso, pueden
monitorear el ritmo cardíaco del paciente para ajustar su
funcionamiento según sea necesario, lo que demuestra la
evolución constante de la tecnología médica.
Para habilitar la fabricación de esta clase de dispositivos,
el reto consiste en desarrollar materiales que no sólo sean
fuertes y resilientes, capaces de soportar los esfuerzos y la
tensión constantes, sino que también sean biocompatibles.
Es decir, deben ser capaces de interactuar con los sistemas
biológicos sin causar reacciones adversas. La biocompatibilidad es un aspecto clave a considerar, pues no cualquier
material resistente y duradero es seguro para usar con los
seres vivos.
Una posible solución a este desafío proviene de una fuente
sorprendentemente familiar: el carbono. Los Sistemas Micro
Electro Mecánicos basados en Carbono (C-MEMS) prometen
cambiar radicalmente la forma en que desarrollamos y utilizamos nuestras herramientas y dispositivos. Estos sistemas
se conforman de diminutas estructuras que integran componentes mecánicos y electrónicos en un solo dispositivo,
permitiendo un alto grado de precisión y eficiencia.
El carbono es un elemento químico abundante y versátil,
capaz de formar una variedad de estructuras conocidas como
alótropos. Éstos incluyen el grafito, el diamante, los fullerenos
y los nanotubos de carbono, cada uno con propiedades únicas y
aplicaciones potenciales en el ámbito de los C-MEMS.
Los alótropos del carbono exhiben propiedades mecánicas
asombrosas. Tomemos, por ejemplo, los nanotubos de carbono
que son notablemente fuertes y ligeros. Estos poseen una resistencia a la tracción de hasta 63 gigapascales (GPa), que es más
de cincuenta veces la resistencia a la tracción del acero estructural, que es de aproximadamente 1.2 GPa.
Por otro lado, el diamante, un alótropo diferente del carbono,
es famoso por ser uno de los materiales más duros conocidos.
En la escala de Mohs, que mide la dureza de los minerales, el
diamante se sitúa en el máximo con un valor de 10. Esto significa
que puede rayar cualquier otro mineral y que es extremadamente resistente al rayado. Estas propiedades hacen que los alótropos del carbono sean materiales de interés en numerosas
aplicaciones industriales y científicas.
Pero, ¿qué pasa con la biocompatibilidad? Es aquí donde los
alótropos del carbono también pueden destacar. Por ejemplo, el
grafito, una forma natural y estable del carbono, ha demostrado
ser biocompatible y seguro para ser usado en la fabricación de
dispositivos médicos. Sin embargo, otros alótropos del carbono,
como los fullerenos, el grafeno y los nanotubos de carbono, son
sintetizados artificialmente, lo que genera incertidumbre en
los efectos que puedan tener al ser colocados en contacto con
sistemas biológicos.
Sin perder de vista las características positivas que beneficiarían el desarrollo de nuevas herramientas médicas, no
podemos excluir a estos materiales basados de carbono de las
rigurosas metodologías de caracterización que comprueben o
refuten su segura aplicabilidad en aplicaciones biológicas. 
En el área de BioMEMS del IINGEN nos hemos dedicado a la
tarea de caracterizar las propiedades mecánicas, morfológicas
y de biocompatibilidad, de micro estructuras de carbono fabricadas en atmosferas de vacío, con el objetivo de implementarlas
en un futuro en la generación de dispositivos médicos.
A pesar del desafío que conlleva caracterizar cabalmente un
material e implementarlo en dispositivos útiles, el potencial de
los C-MEMS es enorme. Los alótropos del carbono proporcionan
la posibilidad de combinar resistencia, resiliencia y biocompatibilidad en un solo material, abriendo la puerta a innovaciones
que podrían revolucionar la forma en que interactuamos con el
mundo biológico.
Referencias:
Annabel Braem, Nur Hidayatul Nazirah Kamarudin, Nitu Bhaskar, Zoya
Hadzhieva, Andrea Mele, Jérémy Soulié, Denver P. Linklater, Linda Bonilla-Gameros, Aldo R. Boccaccini, Ipsita Roy, Christophe Drouet, Elena P. Ivanova,
Diego Mantovani y Bikramjit Basu (2023). Biomaterial strategies to combat
implant infections: new perspectives to old challenges, International Materials
Reviews, DOI: 10.1080/09506608.2023.2193784.
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García Arroyo, Víctor Hugo (2022). Caracterización de las propiedades mecánicas de microestructuras de carbono pirolítico obtenidas mediante la pirólisis
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Field, J. E. (1979). The Properties of Natural and Synthetic Diamond. Academic
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Mustafa O. Guler, Recent advances in bioactive 1D and 2D carbon nanomaterials for biomedical applications, Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and
Medicine, 2018, https://doi.org/10.1016/j.nano.2017.03.021
Colaboradores:
Dra. Eva Ramón Gallegos, Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, IPN.
Dra. Argelia Almaguer Flores, Facultad de Odontología, UNAM.
Dra. Gina Prado Prone, Facultad de Odontología, UNAM.
Dra. Laura Oropeza Ramos, Facultad de Ingeniería, UNAM
