Ao tirar proveito de um fenômeno que leva a fraturas no metal, os pesquisadores do MIT projetaram dispositivos médicos que podem ser usados ??dentro do corpo como stents, grampos ou depósitos de drogas, e depois quebrados com segurança quando não forem mais necessários.

Os pesquisadores mostraram que dispositivos biomédicos feitos de alumínio podem ser desintegrados, expondo-os a um metal líquido conhecido como gálio-índio eutético (EGaIn). Na prática, isso pode funcionar pintando o líquido em grampos usados ??para manter a pele unida, por exemplo, ou administrando micropartículas de EGaIn aos pacientes.

Acionar a desintegração de tais dispositivos desta forma poderia eliminar a necessidade de procedimentos cirúrgicos ou endoscópicos para removê-los, dizem os pesquisadores.

"É um fenômeno realmente dramático que pode ser aplicado a vários cenários", diz Giovanni Traverso, professor assistente de desenvolvimento de carreira Karl van Tassel de engenharia mecânica no MIT e gastroenterologista no Brigham and Women's Hospital. “O que isso possibilita, potencialmente, é a capacidade de ter sistemas que não requerem uma intervenção, como endoscopia ou procedimento cirúrgico para remoção de dispositivos.”

Traverso é o autor sênior do estudo , que aparece em Advanced Materials . Vivian Feig, pós-doutoranda do MIT, é a principal autora do artigo.

Há vários anos, o laboratório de Traverso trabalha em dispositivos ingeríveis que podem permanecer no trato digestivo por dias ou semanas, liberando medicamentos em horários específicos.

A maioria desses dispositivos é feita de polímeros, mas recentemente os pesquisadores vêm explorando a possibilidade de usar metais, que são mais fortes e duráveis. No entanto, um dos desafios de fornecer dispositivos de metal é encontrar uma maneira de removê-los quando não forem mais necessários.

Para criar dispositivos que pudessem ser quebrados sob demanda dentro do corpo, a equipe do MIT se inspirou em um fenômeno conhecido como fragilização do metal líquido. Este processo tem sido bem estudado como fonte de falhas em estruturas metálicas, incluindo as de zinco e aço inoxidável.

“Sabe-se que certas combinações de metais líquidos podem realmente entrar nos limites de grãos de metais sólidos e fazê-los enfraquecer e falhar drasticamente”, diz Feig. “Queríamos ver se poderíamos aproveitar esse mecanismo de falha conhecido de maneira produtiva para construir esses dispositivos biomédicos”.

Um tipo de metal líquido que pode induzir a fragilização é o gálio. Para este estudo, os pesquisadores usaram gálio-índio eutético, uma liga de gálio que os cientistas exploraram para uma variedade de aplicações em biomedicina, energia e eletrônica flexível.

Para os próprios dispositivos, os pesquisadores optaram por usar alumínio, que é conhecido por ser suscetível à fragilização quando exposto ao gálio.

O gálio enfraquece metais sólidos como o alumínio de duas maneiras. Primeiro, ele pode se difundir através dos limites de grão do metal – linhas de fronteira entre os cristais que compõem o metal – fazendo com que pedaços do metal se quebrem. A equipe do MIT mostrou que poderia aproveitar esse fenômeno projetando metais com diferentes tipos de estruturas de grãos, permitindo que os metais se quebrem em pequenos pedaços ou quebrem em um determinado ponto.

O gálio também evita que o alumínio forme uma camada protetora de óxido em sua superfície, o que aumenta a exposição do metal à água e aumenta sua degradação.

A equipe do MIT mostrou que depois de pintarem gálio-índio em dispositivos de alumínio, os metais se desintegrariam em minutos. Os pesquisadores também criaram nanopartículas e micropartículas de gálio-índio e mostraram que essas partículas, suspensas em fluido, também podem quebrar estruturas de alumínio.

Enquanto os pesquisadores começaram esse esforço como uma forma de criar dispositivos que pudessem ser quebrados no trato gastrointestinal, eles logo perceberam que também poderia ser aplicado a outros dispositivos biomédicos, como grampos e stents.

Para demonstrar as aplicações do GI, os pesquisadores projetaram um dispositivo em forma de estrela, com braços presos a um elastômero central por um tubo oco de alumínio. As drogas podem ser transportadas nos braços, e o formato do dispositivo ajuda a mantê-lo no trato GI por um longo período de tempo. Em um estudo em animais, os pesquisadores mostraram que esse tipo de dispositivo pode ser quebrado no trato GI após o tratamento com gálio-índio.

Os pesquisadores então criaram grampos de alumínio e mostraram que eles poderiam ser usados ??para manter o tecido unido, depois dissolvidos com um revestimento de gálio-índio.

“Neste momento, remover os grampos pode realmente induzir mais danos aos tecidos”, diz Feig. “Mostramos que, com nossa formulação de gálio, podemos simplesmente pintá-lo nos grampos e fazê-los se desintegrar sob demanda.”

Os pesquisadores também mostraram que um stent de alumínio que eles projetaram poderia ser implantado no tecido esofágico, depois decomposto por gálio-índio.

Atualmente, os stents esofágicos são deixados no corpo permanentemente ou removidos por endoscopia quando não são mais necessários. Esses stents geralmente são feitos de metais como nitinol, uma liga de níquel e titânio. Os pesquisadores agora estão trabalhando para ver se podem criar dispositivos dissolvíveis de nitinol e outros metais.

“Uma coisa empolgante a ser explorada do ponto de vista da ciência dos materiais é: podemos pegar outros metais que são mais comumente usados ??na clínica e modificá-los para que também possam ser acionados ativamente?” diz Feig.

Neste estudo, os pesquisadores realizaram estudos iniciais de toxicidade em roedores e descobriram que o gálio-índio não era tóxico, mesmo em altas doses. No entanto, mais estudos seriam necessários para garantir que seria seguro administrar aos pacientes, dizem os pesquisadores.

A pesquisa foi financiada pela Fundação Bill e Melinda Gates, pelo Departamento de Engenharia Mecânica do MIT, pela Divisão de Gastroenterologia do Brigham and Women's Hospital, pelo Schmidt Science Fellows Program e pelo Rhodes Trust.

Outros autores do artigo incluem Eva Remlova, Benjamin Muller, Johannes Kuosmanen, Nikhil Lal, Anna Ginzburg, Kewang Nan, Ashka Patel, Ahmad Mujtaba Jebran, Meghana Bantwal, Niora Fabian, Keiko Ishida, Joshua Jenkins, Jan-Georg Rosenboom, Sanghyun Park. , Weema Madani e Alison Hayward.