Biomimética: tecnología que imita a la naturaleza

El filósofo griego Aristóteles decía que para lograr sus fines, el arte imita a la naturaleza. Hoy, no sólo los artistas, sino grupos de ingenieros, físicos, médicos, biólogos y otros científicos están diseñando y construyendo artefactos capaces de replicar las formas y funciones naturales de los organismos.

Los propósitos, más que estéticos, son prácticos: aprender cómo la naturaleza, a través de miles de millones de años de evolución, ha generado soluciones que permiten a los seres vivos adaptarse a su entorno y sobrevivir, para luego aplicar esas estrategias en beneficio del ser humano.

Hay muchos ejemplos de esta práctica que el biofísico e ingeniero Otto Schmitt denominó biomimética o biomímesis (del griego bios, vida y mímesis, imitación) y de la que fue precursor el famoso inventor Leonardo Da Vinci. A la fecha, tiene aplicación en prácticamente todas las ramas de la ciencia y la tecnología.

Algunos ejemplos son: las alas de avión con formas aerodinámicas como las de los pájaros; robots que se mueven como insectos; materiales ultrarresistentes hechos con sustancias similares a las de la telaraña o sistemas de alerta oceánica basados en ultrasonidos como los que emiten los delfines. 

En el campo biomédico, esta disciplina ha tenido grandes avances detonados por las investigaciones del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard, pionero en el desarrollo de biochips computarizados que imitan la microarquitectura y funciones vitales de órganos humanos como pulmón, riñón e intestinos.

Cada uno de estos chips de órganos, -que tienen el tamaño de una tarjeta SD y fabricados con un polímero flexible y líneas celulares humanas- constituye un modelo a pequeña escala de las piezas vitales naturales, lo que permite modelar enfermedades o hacer pruebas de toxicidad de fármacos.

En México, el Laboratorio Nacional de Soluciones Biomiméticas para Diagnóstico y Terapia (LaNSBIoDyT), que comenzó a operar en 2015 dentro de la Facultad de Ciencias de la UNAM, está ampliando el abanico de servicios de este tipo en beneficio de la comunidad médica, los investigadores de hospitales y universidades y, desde luego, los pacientes.

“Las opciones que ofrecemos son diseñar productos a la medida de cada necesidad, con base en las peticiones del cliente, o bien mejorar las soluciones comerciales que ya existen”, comenta el profesor Mathieu Hautefeuille, responsable técnico del LaNSBIoDyT.

El académico del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias aclara que el laboratorio se creó precisamente para dar asesoría y aportar soluciones que respondan a las necesidades de la comunidad médica y científica del país, como por ejemplo, la fabricación de nuevas plataformas de cultivo celular (conocidas como andamiajes).

“Tomamos las experiencias de los diferentes campos de la ciencia para resolver problemas específicos. Esto lo hacemos con nuestros colaboradores, pero también damos servicios al exterior, a personas u organizaciones que necesitan desarrollar nuevos modelos que ellos no pueden hacer”, precisa Hautefeuille.

Chips de órganos 

Aunque el LaNSBIoDyT ofrece un amplio catálogo de servicios, el núcleo de su actividad está en desarrollar y probar tecnologías innovadoras como los citados biochips, que permiten alojar cultivos celulares biomiméticos con los que se reproducen artificialmente (in vitro) las complejas interacciones que tiene lugar en los organismos vivos.

• Los biochips fabricados en LaNSBioDyT pueden usarse en múltiples áreas de la medicina como cirugías de trasplantes, ingeniería de tejidos o en terapia celular (para entrenar células en una plataforma sintética y luego transferirlas a los organismos).  También para evaluar la toxicidad de fármacos o distintas quimioterapias contra el cáncer antes de administrarlos a pacientes.

Diego Zamarrón Hernández, responsable de supervisión de servicios del laboratorio, refiere algunos ejemplos de productos biomédicos “a la medida” que han fabricado. Uno de ellos es un biochip que puede alojar células nerviosas confinadas dentro de un canal de 200 micras de ancho (el diámetro de dos cabellos) para observar su respuesta a varios estímulos. 

Este producto fue ideado a petición de investigadores del Instituto de Fisiología Celular de la UNAM que estudian el crecimiento de axones (prolongaciones que conducen señales) en las neuronas. Necesitaban reproducir las condiciones naturales donde se desarrollan y conectarlas con otras células musculares, pero sin combinar sus señales.

Los chips importados con los que trabajaban antes los investigadores servían para este fin, pero requerían otro diseño, más adecuado a sus necesidades.

Este problema fue resuelto con el dispositivo que hicieron y probaron en el LaNSBIoDyT. “Pudimos lograr esto gracias a las tecnologías que hemos desarrollado en el laboratorio”, afirma Diego Zamarrón. 

Otro dispositivo diseñado y fabricado en el laboratorio -con el apoyo de un grupo de oftalmólogos- para la Fundación Markoptic es una diminuta válvula para regular la presión intraocular en pacientes con glaucoma, que ya ha sido probada en injertos animales.

A diferencia de las válvulas disponibles en el mercado, este dispositivo -fabricado con un polímero y del que Markoptic tiene la patente- puede insertarse directamente en el ojo del paciente y regular la presión intraocular mediante la expulsión de humor acuoso. Esto se logra a través de un resorte que puede ser modificado para satisfacer diferentes necesidades.

“Para verificar que funcionara adecuadamente desarrollamos un modelo de ojo enfermo (de glaucoma) para simular la membrana de la córnea con una cavidad en la que hubiera un líquido y con sensores capaces de medir la presión intraocular”, relata Diego Zamarrón, responsable de Servicios del Laboratorio de Micro y Nanotecnología.

Markoptics no tenía los medios para fabricar un biochip tan pequeño, pues la pieza final medirá 1 milímetro de altura y 300 micras de ancho (como una mota de polvo). 

“Por eso nos contactaron, para pedir la prueba de las primeras piezas y saber si serán funcionales”, añade Hautefeuille. 

El laboratorio ha concluido la fabricación del primer lote del producto, que será puesto a prueba en el transcurso del presente año antes de llevarlo a una escala de producción masiva.  

La calidad de estos trabajos está avalada por la certificación ISO 9001 que recibió en 2017 la sección dedicada a la microfabricación de biochips.

Mathieu Hautefeuille considera que con estas tecnologías, además de contribuir a formar recursos humanos, se están sentando las bases de una medicina personalizada, basada en los requerimientos de cada paciente.

Como sucede en la medicina genómica, puede abordarse una misma enfermedad de distintas maneras. “A eso va dirigida esta tecnología, que aún está a prueba, pero que en poco tiempo será práctica de rutina en los hospitales. En México no podemos quedarnos atrás con estos desarrollos”, concluye el académico de la Facultad de Ciencias.