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Nuevo recubrimiento para transplantes de cadera podría prevenir fallas prematuras

Filmes a nanoescala desarrollados en el MIT (Massachusetts Institute of technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) promueven el crecimiento de hueso, creando un sello más fuerte entre implantes y los propios huesos de los pacientes.

Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés).

Cada año, más de un millón de estadounidenses reciben una prótesis artificial de cadera o rodilla. Dichos implantes están diseñados para durar muchos años, pero en alrededor del 17 por ciento de los pacientes que reciben un reemplazo de articulación, el implante eventualmente se afloja y tiene que ser reemplazado temprano, lo que puede causar peligrosas complicaciones para pacientes de edad avanzada.

Para ayudar a minimizar estas pesadas operaciones, un equipo de ingenieros químicos del MIT ha desarrollado un nuevo recubrimiento para implantes que podría ayudarlos a adherirse mejor al hueso del paciente, previniendo fallas prematuras.

“Esto permitiría al implante durar mucho más, hasta su tiempo de vida natural, con un riesgo más bajo de falla o infección”, dice Paula Hammond, profesora de ingeniería en el MIT y autora principal de un artículo sobre el trabajo que aparecerá en el diario Advanced Materials.

El recubrimiento, que induce las propias células del cuerpo a producir hueso que ajusta el implante en su lugar, también podría ser usado para curar fracturas y para mejorar los implantes dentales, de acuerdo a Hammond y al autor líder Nisarg Shah, un estudiante graduado en el laboratorio de Hammond.

Una alternativa al cemento óseo

Caderas artificiales consisten de una bola de metal en un tallo, conectando la pelvis y el femur. La bola rota dentro de una taza plástica dentro del socket de la cadera. Similarmente, las rodillas artificales consisten de placas y un tallo que permiten el movimiento del femur y la tibia. Para asegurar el implante, cirujanos usan cemento óseo, un polímero que se asemeja al vidrio cuando se endurece. En algunos casos, este cemento termina agrietándose y el implante se separa del hueso, causando dolor crónico y pérdida de movilidad para el paciente.

“Típicamente, en dicho caso, el implante es removido y reemplazado, lo que causa tremenda pérdida de tejido secundaria en el paciente que no habría ocurrido si el implante no hubiera fallado”, dice Shah. “Nuestra idea es prevenir la falla recubriendo estos implantes con materiales que podrían inducir el hueso natural que es generado dentro del cuerpo. Ese hueso crece en el implante y ayuda a mantenerlo en su lugar”.

El nuevo recubrimiento consiste de un filme muy delgado, que va desde los 100 nanómetros hasta un micrón, compuesto de capas de materiales que ayudan a promover el rápido crecimiento de hueso. Uno de los materiales, hidroxiapatita, es un componente natural del hueso, hecho de calcio y fosfato. Este material atrae células madre mesenquimatosas de la médula osea y provee una interfaz para la formación de nuevo hueso. La otra capa libera un factor de crecimiento que estimula las células madre mesenquimatosas a transformarse en células productoras de hueso llamadas osteoblastos.

Una vez que se forman los osteoblastos, comienzan a producir nuevo hueso para llenar los espacios rodeando el implante, asegurándolo al hueso existente y eliminando la necesidad del cemento de hueso. Tener tejido sano en ese espacio crea un enlace más fuerte y reduce bastante el riesgo de infección bacteriana alrededor del implante.

“Cuando el cemento óseo es usado, espacio muerto es creado entre el hueso existente y el tallo del implante, donde no hay vasos sanguíneos. Si bacterias colonizan este espacio se mantendrían proliferando, ya que el sistema inmune no puede alcanzarlas y destruirlas. Dicho recubrimiento sería auxiliar para prevenir que eso ocurra”, dice Shah.

Toma al menos dos o tres semanas para que los huesos llenen y completamente estabilicen el implante, pero un paciente aún sería capaz de caminar y hacer terapia física durante este tiempo, de acuerdo a los investigadores.

Control ajustable

Ha habido esfuerzos previos para recubrir implantes ortopédicos con hidroxiapatita, pero los filmes terminan siendo muy delgados e inestables, y tienden a separarse del implante, dice Shah. Otros investigadores han experimentado con inyectar el factor de crecimiento o depositarlo directamente en el implante, pero la mayoría termina siendo drenado fuera del sitio del implante, dejando muy poco detrás para tener algún efecto.

El equipo del MIT puede controlar el grosor de su filme y la cantidad de factor de crecimiento liberado usando un método llamado ensamblado capa-por-capa, en el que los componentes deseados son colocados una capa a la vez hasta que el grosor y la composición de la droga deseados son alcanzados.

“Esta es una ventaja significativa por que otros sistemas hasta ahora no han podido controlar la cantidad de factor de crecimiento que necesitas. Muchos dispositivos típicamente deben usar cantidades que podrían ser órdenes de magnitud más de lo que necesitas, lo que puede llevar a efectos secundarios no deseados”, dice Shah.

Los investigadores ahora están realizando estudios en animales que han mostrado resultados prometedores: Los recubrimientos llevan a una rápida formación de huesos, fijando los implantes en su lugar.

Este recubrimiento podría ser usado no solo para reemplazos de articulaciones, sino también para el fijado de placas y tornillos usados para arreglar fracturas de huesos. “Es muy versátil. Puedes aplicarlo a cualquier geometría y tener un recubrimiento uniforme todo alrededor”, dice Shah.

Otra posible aplicación es en implantes dentales. Convencionalmente, implantar un diente artificial es un proceso de dos pasos. Primero, un tornillo con rosca es introducido en la quijada; este tornillo debe estabilizarse integrándolo con el tejido de hueso que lo rodea por varios meses antes de que el paciente regrese a la clínica para tener el nuevo diente pegado al tornillo. Esto podría ser reducido a un proceso de un paso en el que el paciente recibe el implante entero usando una versión de estos recubrimientos.

La investigación fue patrocinada por Instituto Nacional del Envejecimiento, parte de los Institutos Nacionales de la Salud, y conducido por el Instituto David H. Koch para Investigación Integrativa del Cáncer con apoyo del Instituto para Nanotecnologías para Soldados en el MIT.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)

Nuevo dispositivo para suministrar medicamento al cerebro

El científico ruso Eduard Lerner, desarrolló un dispositivo único en su tipo y gracias a este invento que podría abrir una nueva era en la medicina, le fue otorgado el premio “El mejor invento de los Países Bajos”.

Dicho dispositivo permite suministrar la dosis necesaria del medicamento (el cual es propulsado gracias a una corriente continua de tipo galvánico) directamente al cerebro a través de la cavidad nasal. El científico Lerner califica este método como “no invasivo”, además de disminuir la dosis de la sustancia medicinal en la sangre (en comparación con el suministro a través del flujo sanguíneo) y minimiza los efectos secundarios en todo el organismo.

Este invento hace posible el tratamiento eficaz de enfermedades como: la apoplejía, hemorragia cerebral, Alzheimer, Parkinson, encefalitis, meningitis, esclerosis múltiple, esquizofrenia, depresión, así como adiciones al alcohol y a las drogas.

Este científico ruso actualmente reside en Holanda.

Referencias
http://spanish.ruvr.ru/
http://actualidad.rt.com/

Turbina de viento extrae agua del aire

Obtener acceso a la suficiente agua para beber en un entorno desértico puede ser algo difícil, pero Eole Water quizá haya resuelto el problema. Ha creado una turbina de viento que puede extraer hasta 1,000 litros de agua por día del aire.

Todo lo que requiere es un viento a 24 kilómetros por hora para generar los 30 kilowatts requeridos para que el proceso ocurra. El resultado final es un tanque lleno de agua purificada lista para beberse en la base de cada turbina.

Más información
http://www.geek.com/ (en inglés)
http://www.eolewater.com/ (en inglés)

Herschel encontró masacre de cometas alrededor de una estrella cercana

Cometa masacre de estrellas — Imagen: ESA

El observatorio espacial Herchel ha estudiado el cinturón de polvo alrededor de la cercana estrella Fomalhaut. Los científicos dicen que el polvo parece venir de colisiones que destruyen a miles de cometas helados cada día.

Herschel es una misión de la Agencia Espacial Europea con importantes contribuciones de la NASA.

Fomalhaut en una estrella joven, de solo unos pocos cientos de millones de años, y dos veces más masiva que el sol. Su cinturón de polvo fue descubierto en la década de 1980 por el Satélite Astronómico Infrarrojo, en el que la NASA jugó un papel importante. Nuevas imágenes de Herschel del cinturón lo muestran con mucho más detalle a mayores longitudes de onda infrarrojas que nunca antes.

Los resultados indican que los granos en el cinturón de polvo son suaves y pequeños, solo unas pocas millonésimas de un metro de diámetro. Son similares a las partículas de polvo liberadas por los cometas en nuestro propio sistema solar.

Bram Acke de la Universidad de Lovaina en Bélgica dirigió las observaciones. Él y sus colegas dicen que el polvo está siendo regenerado en el cinturón a través de colisiones continuas entre los cometas. Cada día, el equivalente de cualquiera de dos cometas del tamaño de 6.2 millas (10 kilómetros) o 2.000 cometas del tamaño de .62 millas (1 kilómetro) deben ser completamente aplastados en pequeñas y esponjadas partículas de polvo. Es más, hay montones de cometas: el equipo estima que entre 260 mil millones y 83 billones en el cinturón.

Herschel es una misión piedra angular de la Agencia Espacial Europea, con instrumentos científicos provistos por consorcios de Instituciones Europeas y con una importante participación de la NASA. La oficina del proyecto Herschel de la NASA está ubicada en el Laboratorio de Propulsión de Jets (JPL – Jet Propulsion Laboratory) en Pasadena, California. JPL contribuyó con tecnología que permitió la misión para dos de los tres instrumentos científicos de Herschel. El centro de ciencia de Herschel de la NASA, parte del Centro de Procesamiento y Análisis Infrarrojo en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena, apoya a la comunidad astronómica de los Estados Unidos. Caltech maneja JPL para la NASA.

Fuente
http://www.nasa.gov/ (en inglés)

Sintiendo cuando el cerebro está bajo presión

Sensación en cerebro — Imagen: Lucien Monfils / wikipedia

Una nueva estrategia de monitoreo prescinde de la cirugía, podría ayudar a los médicos a tratar pacientes con lesiones en la cabeza.

Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés).

Los tumores cerebrales y el trauma en la cabeza, incluyendo conmociones, pueden elevar la presión dentro del cráneo, potencialmente aplastando el tejido cerebral o cortando el suministro de sangre del cerebro. Monitorear la presión sanguínea en los cerebros de dichos pacientes podría ayudar a los doctores a determinar el mejor tratamiento, pero el procedimiento es tan invasivo – requiere taladrar un agujero a través del cráneo – que solo se hace en los pacientes con lesiones más severas.

Eso podría cambiar con el desarrollo de una nueva técnica que es mucho menos arriesgada. El método, descrito en la edición del 11 de abril de Science Translational Medicine, podría permitirle a los médicos medir la presión cerebral en pacientes que han sufrido lesiones en la cabeza que son más leves, pero se beneficiarían de monitoreo cercano.

Desarrollado por investigadores en el Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE – Research Laboratory of Electronics) del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts), la nueva técnica está basada en un modelo computacional de cómo la sangre fluye a través del cerebro. Usando ese modelo, los investigadores pueden calcular la presión cerebral de dos mediciones menos invasivas: la presión sanguínea arterial y una medición ultrasónica de la velocidad del fluido sanguíneo a través del cerebro.

Con este acercamiento, cambios en la presión cerebral pueden ser monitoreados en el tiempo, alertando a los médicos sobre problemas que podrían crecer lentamente.

Bajo presión

Presión en el cerebro, también conocida como presión intracraneal (ICP – intracranial pressure), puede elevarse debido a la presencia de fluido excesivo (sangre o fluido cerebroespinal), un tumor cerebral o hinchazón del cerebro.

Para medir esta presión, neurocirujanos taladran un agujero en el cráneo e insertan un catéter en el tejido cerebral o una cavidad llena de fluido en el cerebro. En todos excepto los pacientes enfermos más críticamente, el riesgo de infección o daño al cerebro supera los beneficios de este procedimiento, dice el coautor del estudio George Verghese, profesor de Ingeniería Eléctrica en el MIT.

“Hay una cantidad de pacientes mucho mayor para quienes a los médicos les gustaría esta medición, pero lo invasivo los detiene de obtenerla”, dice Verghese, cuyo laboratorio se enfoca en usar modelos computarizados de fisiología humana para interpretar los datos de pacientes.

En esta tesis doctoral, Faisal Kashif, quien ahora es un posdoctorado en el laboratorio de Verghese y el autor principal del artículo, desarrolló un modelo por computadora que relaciona la presión sanguínea arterial y el flujo sanguíneo a través del cerebro a la presión en el cerebro. El flujo de sangre a través del cerebro es causado por la diferencia en presión entre la sangre entrando al cerebro y la presión dentro del cerebro (ICP). Por lo tanto, usando el modelo de Kashif, la ICP puede ser calculada del flujo y la presión sanguínea entrando al cerebro.

La presión de la sangre entrando al cerebro no es medible directamente, entonces el equipo del MIT usó la presión de la arteria radial, tomada al insertar un catéter en la muñeca, como una representación de esa medida. Usaron su modelo de flujo sanguíneo para compensar la diferencia en lugar.

La presión arterial periférica también puede ser medida continuamente y de manera no invasiva usando un dedal similar al brazalete que se utiliza comúnmente para medir la presión sanguínea. Los investigadores se encuentran investigando ahora, si los datos obtenidos de esta manera son lo suficientemente precisos para usarlos en su modelo.

Validación

Los investigadores verificaron la precisión de su técnica usando datos recolectados hace varios años por el colaborador Marek Czosnyka en la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, de pacientes con lesión cerebral traumática. Este fue uno de los pocos grupos de datos que incluyeron todas las medidas que necesitaban, junto con un registro temporal apropiado. Czosnyka envió los datos de presión sanguínea arterial radial y la velocidad del flujo sanguíneo tomado con ultrasonido al equipo del MIT, el cual entonces introdujo los números en su modelo y obtuvieron una presión intracraneal estimada. Enviaron entonces los datos de vuelta a Czosnyka para comparación.

Sus resultados eran ligeramente menos precisos que aquellos obtenidos con el mejor procedimiento invasivo, pero comparables a otros procedimientos invasivos que siguen en uso clínico, y a técnicas menos invasivas que se han intentado.

“Es un santo grial de neurocirugía clínica el encontrar una manera no invasiva de medir la presión”, dice James Holsapple, jefe de neurocirugía en el Centro Médico Boston. “Sería un gran paso si podemos poner nuestras manos en algo confiable”.

El nuevo acercamiento del MIT muestra promesa, dice Holsapple, añadiendo que un siguiente paso importante es incorporar la tecnología en un sistema que sería fácil de usar para el personal de un hospital y pudiera grabar datos durante muchas horas o días.

El equipo del MIT, junto con la coautora Vera Novak del Centro Médico Beth Israel Deaconess (BIDMC) en Boston, está ahora colaborando con doctores en el BIDMC para probar su acercamiento en pacientes en la unidad de cuidado intensivo neurológico.

“Todavía es un período de validación. Para convencer a la gente de que esto trabaja, necesitas acumular más [datos] de los que tenemos actualmente”, dice Verghese. “Nuestra esperanza es que una vez que ha sido validado en tipos de pacientes adicionales, donde seas capaz de mostrar que puedes coincidir con la medida invasiva, la gente tendrá confianza en comenzar a aplicarlo a pacientes que no están siendo monitoreados actualmente. Ahí es donde vemos el gran potencial”.

Thomas Heldt, un científico investigador en el RLE y autor principal del artículo, dice que una vez que la recolección de datos y el modelo estén bien establecidos, el equipo espera probar diferentes poblaciones de pacientes – como atletas con contusiones, o soldados que han experimentado explosiones – para descubrir maneras de determinar la extensión de las lesiones y cuándo no es seguro todavía para un atleta o soldado volver al campo.

Otra aplicación potencial es monitorear astronautas durante y después de vuelos espaciales largos. La NASA ha observado signos de presión intracraneal elevada en algunos de estos astronautas, y ahora busca formas de medirla.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)

Mejores sitios para observar el traslado del Discovery

El martes 17 de abril, entre 10 y 11 a.m. EDT, el transbordador espacial Discovery, montado en el Shuttle Carrier Aircraft volará desde el Centro Espacial Kennedy a su nuevo hogar en el National Air and Space Museum (Museo Espacial y Aéreo Nacional), Udvar-Hazy Center. Las personas en el área metropolitana de Washington tendrán la oportunidad de ver Discovery antes de que aterrice en el Aeropuerto Internacional de Dulles.

Aunque la ruta exacta y el momento del vuelo depende de las limitaciones del tiempo y de funcionamiento, el SCA se espera que vuele a aproximadamente 1,500 pies de altura cerca de una variedad de puntos de referencia en el área, incluyendo el National Mall, Reagan National Airport (Aeropuerto Nacional Reagan), National Harbor y el Centro Udvar-Hazy de Smithsonian.

Algunos lugares accesibles al público desde el que puede ser capaz de “encontrar el transbordador” se enumeran a continuación. Si usted toma fotos, siéntase libre de publicar en la página de Flickr de la NASA y si está en Twitter, puede Twittearlo usando el hashtag # spottheshuttle.

Discovery traslado en747 — Discovery en la cima de un avión Boeing 747 Shuttle Carrier, Crédito de la imagen: NASA

Fuente
http://www.nasa.gov/ (en inglés)

Nanopartículas híbridas cobre-oro convierten el CO2

Podrían reducir las emisiones de gases de invernadero

Jennifer Chu, MIT News Office. Original (en inglés).

Cobre – el material del que están hechos los centavos y las teteras – también es uno de los pocos metales que pueden convertir el dióxido de carbono en combustibles de hidrocarbono con poca energía relativamente. Cuando se le da la forma de un electrodo y es estimulado con voltaje, el cobre actúa como un fuerte catalizador, iniciando una reacción electromagnética con el dióxido de carbono que reduce el gas de efecto invernadero en metano o metanol.

Varios investigadores alrededor del mundo han estudiando el potencial del cobre como medio energéticamente eficiente de reciclar emisiones de dióxido de carbono en plantas de energía: En lugar de ser liberado en la atmósfera, el dióxido de carbono sería hecho circular a través de un catalizador de cobre y convertido en metano o metanol – que entonces le daría energía al resto de la planta por combustión, o sería convertido en productos químicos como etileno. Dicho sistema, emparejado con energía solar o eólica, podría reducir enormemente las emisiones de gas de invernadero de plantas alimentadas por carbón y plantas alimentadas por gas natural.

Pero el cobre es temperamental: fácilmente oxidable, como cuando viejos centavos se vuelven verdes. Como resultado, el metal es inestable, lo que puede alentar significativamente su reacción con el dióxido de carbono y producir residuos no deseados como monóxido de carbono y ácido fórmico.

Ahora los investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) han encontrado una solución que podría reducir aún más la energía necesaria para que el cobre convierta el dióxido de carbono, mientras además hacen al metal mucho más estable. El grupo ha diseñado pequeñas nanopartículas de cobre mezcladas con oro, que es resistente a la corrosión y la oxidación. Los investigadores observaron que solo un toque de oro vuelve al cobre mucho más estable. En los experimentos, recubrieron electrodos con las nanopartículas híbridas y encontraron que mucha menos energía era necesaria para que estas nanopartículas diseñadas reaccionaran con el dióxido de carbono, comparado a nanopartículas de puro cobre.

Un artículo detallando los resultados aparecerá en el diario Chemical Communications; la investigación fue patrocinada por la Fundación Nacional de Ciencia. La coautora Kimberly Hamad-Schifferli del MIT dice que los descubrimientos apuntan a un medio potencialmente de eficiencia energética de recudir las emisiones de dióxido de carbono de las plantas de energía.

“Normalmente tienes que poner mucha energía en convertir dióxido de carbono en algo útil”, dice Hamad-Schifferli, una profesora asociada de ingeniería mecánica e ingeniería biológica. “Demostramos que nanopartículas híbridas cobre-oro son mucho más estables, y tienen el potencial de reducir la energía que necesitas para la reacción”.

Reduciendo el tamaño

El equipo eligió diseñar partículas al nivel de nanoescala para “obtener más ventaja económica”, dice Hamad-Schifferli: Mientras más pequeñas las partículas, más grande es el área superficial disponible para la interacción con las moléculas de dióxido de carbono. “Podrías tener más lugares para que el CO₂ llegue y se pegue y sea convertido en algo más”, dice ella.

Hamad-Schifferli trabajó con Yang Shao-Horn, el profesor asociado de Ingeniería Mecánica en el MIT, posdoctorado Zhichuan Xu y Erica Lai. El equipo se quedó en oro como un metal adecuado para combinarse con oro y cobre principalmente debido a sus propiedades conocidas.
(Investigadores habían combinado previamente oro y cobre en escalas mucho más grandes, notando que la combinación previno que el cobre se oxidara).

Para hacer las nanopartículas, Hamad-Schifferli y sus colegas mezclaron sales conteniendo oro en una solución de sales de cobre. Calentaron la solución, creando nanopartículas que fusionaron cobre con oro. Xu entonces puso las nanopartículas a través de una serie de reacciones, convirtiendo la solución en un polvo que fue usado para recubrir un pequeño electrodo.

Para probar la reactividad de las nanopartículas, Xu colocó el electrodo en un vaso de precipitado lleno se solución y dióxido de carbono en burbujas dentro de él. Aplicó un pequeño voltaje al electrodo, y midió la corriente resultante en la solución. El equipo razonó que la corriente resultante indicaría que tan eficientes eran las nanopartículas al reaccionar con el gas: Si las moléculas de CO₂ estuvieran reaccionando con sitios en el electrodo – y después liberando para permitir que otras moléculas de CO₂ reaccionen con los mismos sitios – la corriente aparecería como que un cierto potencial fue alcanzado, indicando una “rotación”. Si las moleculas monopolizan sitios en el electrodo, la reacción se alentaría, retrasando la aparición de la corriente al mismo potencial.

El equipo encontró finalmente que el potencial aplicado para alcanzar una corriente estable era mucho más pequeña para las nanopartículas híbridas cobre-oro que para el puro cobre y oro – una indicación de que la cantidad de energía requerida para ejecutar la reacción era mucho más baja que la requerida cuando se usaban nanopartículas de puro cobre.

Siguiendo adelante, Hamad-Schifferli dice que espera mirar más de cerca la estructura de las nanopartículas de cobre-oro para encontrar la configuración óptima para convertir dióxido de carbono. Hasta ahora, el equipo ha demostrado la efectividad de las nanopartículas compuestas de un tercio de oro y dos tercios de cobre, así como dos tercios de oro y un tercio de cobre.

Hamad-Schifferli admite que el recubrimiento de electrodos a escala industrial con oro puede volverse caro. Sin embargo, dice ella, el ahorro de energía y el potencial de reuso para dichos electrodos podría balancear los costos iniciales.

“Es un compromiso”, dice Hamad-Schifferli. “Obviamente el oro es mas caro que el cobre. Pero si te ayuda a obtener un producto que sea más atractivo como el metano en lugar del dióxido de carbono, y a un consumo de energía más bajo, entonces podría valer la pena. Si pudieras reusarlo una y otra vez, y la durabilidad es más alta debido al oro, eso es una ganancia”.

Reimpreso con permiso de MIT News.

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http://web.mit.edu/ (en inglés)

Nuevo método para prevenir obstrucciones submarinas de hielo

Hidrato de metano — Imagen: Wuse 1007 / wikipedia

Revestimientos superficiales desarrollados por investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) podrían inhibir la acumulación de hidratos de metano que pueden bloquear pozos profundos de petróleo y gas.

David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés).

Durante el derrame petrolero masivo del pozo roto Deepwater Horizon en el 2010, parecía al principio que podría haber un arreglo rápido: un domo de contención que se bajara a la tubería rota para capturar el flujo para que pudiera ser bombeado a la superficie y eliminado apropiadamente. Pero ese intento falló rápidamente, porque el domo casi instantáneamente se obstruyó con hidrato de metano congelado.

Los hidratos de metano, que se congelan al contacto con agua fría en lo profundo del océano, son un problema crónico para los pozos de petróleo y gas profundos. Algunas veces estos hidratos congelados se forman dentro de la cubierta del pozo, donde pueden restringir e incluso bloquear el flujo, con un costo enorme para los operadores del pozo.

Ahora investigadores del MIT, liderados por el profesor asociado de Ingeniería Mecánica Kripa Varanasi, dicen que han encontrado una solución, descrita recientemente en el diario Physical Chemistry Chemical Physics. El autor líder de la revista académica es J. David Smith, un estudiante graduado de ingeniería mecánica.

El océano profundo se está convirtiendo en “una fuente clave” de nuevos pozos de petróleo y gas, dice Varanasi, conforme las demandas de energía del mundo continúan incrementándose rápidamente. Pero uno de los problemas cruciales en hacer viables estos pozos profundos respecto a la “garantía de flujo”: encontrar maneras de evitar la acumulación de hidratos de metano. Presentemente, esto se hace principalmente mediante el uso de sistemas de calefacción caros o aditivos químicos.

“Las industrias de petróleo y gas actualmente gastan al menos $200 millones de dólares al año solo en químicos” para prevenir dichas acumulaciones, dice Varanasi; fuentes de la industria dicen que la cifra total por la prevención y la producción perdida debido a hidratos podría estar en los miles de millones de dólares. El nuevo método de su equipo usaría en su lugar recubrimientos pasivos en los interiores de las tuberías que están diseñados para prevenir que los hidratos se adhieran.

Estos hidratos forman una estructura cristalina similar a una caja, llamada clatrato, en la que moléculas de metano son atrapadas en retículos de moléculas de agua. Aunque se ven como hielo ordinario, los hidratos de metano se forman solo bajo el agua a alta presión: en las aguas profundas o debajo del lecho oceánico, dice Smith. Según algunos estimados, la cantidad total de metano (el ingrediente principal del gas natural) contenido en los clatratos del lecho marino mundial exceden por mucho la cantidad conocida de reservas de todos los otros combustibles fósiles combinados.

Dentro de las tuberías que cargan el aceite o el gas de las profundidades, los hidratos de metano pueden adherirse a las paredes internas – como la placa que se acumula dentro de las arterias del cuerpo – y, en algunos casos, eventualmente bloquear el flujo completamente. Los bloqueos pueden suceder sin advertencia, y en casos severos requieren que la sección bloqueada de la tubería sea cortada y reemplazada, resultando en largos apagones de producción. Los esfuerzos de prevención presentes incluyen calefacción clara o aislamiento de las tuberías o aditivos como metanol introducidos en el flujo de gas o petróleo. “El metanol en un buen inhibidor”, dice Varanasi, pero es “muy agresivo ambientalmente” si escapa.

El grupo de investigación de Varanasi comenzó a analizar el problema antes del derrame del Deepwater Horizon en el Golfo de México. El grupo se ha enfocado por mucho tiempo en maneras de prevenir la acumulación de hielo ordinario – como en las alas de un avión – y en la creación de superficies hidrofóbicas, que previenen que las gotas de agua se adhieran a una superficie. Entonces Varanasi decidió explorar el potencial para crear lo que el llama superficies “hidrato-fóbicas” para prevenir que los hidratos se adhieran duramente a las paredes de las tuberías. Debido a que los mismos hidratos de metano son peligrosos, los investigadores trabajaron casi exclusivamente con un modelo de sistema de hidrato clatrato que exhibe propiedades similares.

El estudio produjo varios resultados significativos: Primero, utilizando un recubrimiento simple, Varanasi y sus colegas fueron capaces de reducir la adhesión de hidratos en la tubería a un cuarto de la cantidad en superficies no tratadas. Segundo, el sistema de pruebas que diseñaron provee una manera siemple y barata de buscar inhibidores aún más efectivos. Finalmente, los investigadores también encontraron una fuerte correlación entre las propiedades “hidrato-fóbicas” de una superficie y su humectabilidad – una medición de qué tan bien el líquido se esparce en la superficie.

Los encuentros básicos también aplican a otros adhesivos sólidos, dice Varanasi – por ejemplo, soldadura adhiriéndose a un circuito, o depósitos de calcita dentro de líneas de plomería – así que los mismos métodos de prueba pueden ser usados para analizar recubrimientos para una amplia variedad de procesos comerciales e industriales.

Richard Camilli, un científico asociado en Física Oceánica Aplicada e Ingeniería en la Institución Oceanográfica Woods Hole quien no estuvo involucrado en este estudio, dice, “La industria de la energía ha estado luchando con problemas de seguridad y garantía de flujo relacionados con la formación de hidratos y bloqueos por casi un siglo”. Añade que el problema se está volviendo más significativo mientras que el taladrado progresa a aguas aún más profundas y dice que el trabajo del equipo de Varanasi “es un gran paso hacia encontrar formas más amigables ambientalmente para prevenir la obstrucción de hidrato en las tuberías”.

El equipo investigador incluyó al postdoctorado del MIT Adam Meuler y al estudiante Harrison Bralower; al profesor de Ingeniería Mecánica Gareth McKinley; al profesor de Ingeniería Química Robert Cohen; y a Silva Subramanian y Rama Venkatesan, dos investigadores de la Compañía Tecnológica Chevron Energy. El trabajo fue patrocinado por el programa Iniciativa de Energía Chevron del MIT y por el consejo Doherty en Utilización Oceánica de Varanasi.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)

Mini-Internet dentro de chips

Mini-Internet en chip — Imagen: Christine Daniloff

Las técnicas de enrutamiento en las que se basa el Internet podrían incrementar la eficiencia de chips de múltiples núcleos mientras que reducen sus requerimientos de consumo de energía.

Larry Hardesty, MIT News Office. Original (en inglés).

Los chips de computadora han dejado de volverse más rápidos. Para seguir aumentando el poder computacional de los chips a la misma tasa a la que nos hemos acostumbrado, los fabricantes de chips están dándoles “nucleos”, o unidades de procesamiento, adicionales en su lugar.

Hoy, un chip típico puede tener seis u ocho núcleos, todos comunicados uno con el otro sobre un solo grupo de cables, llamado un bus (o canal). Con un bus, sin embargo, solo un par de núcleos puede hablar a la vez, lo que sería una seria limitación en chips con cientos o incluso miles de núcleos, lo que muchos ingenieros eléctricos predicen como el futuro de la computación.

Li-Shiuan Peh, una profesora asociada de Ingeniería Eléctrica y Ciencia Computacional en el MIT, quiere que los núcleos se comuniquen de la misma manera que computadoras conectadas a Internet lo hacen: agrupando la información que transmiten en “paquetes”. Cada núcleo tendría su propio ruteador, que podría enviar un paquete por varios caminos, dependiendo de la condición de la red entera.

En la conferencia Design Automation en junio, Peh y sus colegas presentarán una revista académica que ella describe como “resumiendo 10 años de investigación” en dichas “redes en un chip”. No solo los investigadores establecen los límites teóricos en la eficiencia de redes de comunicación en chips basadas en paquetes, sino que también presentan medidas realizadas en un chip de prueba en el que se acercaron a alcanzar varios de esos límites.

La última parada para los buses

En principio, chips con múltiples núcleos son más rápidos que chips de un solo núcleo por que pueden dividir tareas computacionales y ejecutar varias de ellas a la vez. Núcleos trabajando en la misma tarea ocasionalmente necesitarán compartir datos, pero hasta recientemente, el conteo de núcleos en chips comerciales ha sido lo suficientemente bajo que un solo bus ha sido capaz de manejar la carga de comunicaciones extras. Sin embargo, eso ya está cambiando: “Los buses han alcanzado un límite”, dice Peh. “Tipicamente escalan a alrededor de ocho núcleos”. Los chips de 10 núcleos encontrados en los servidores de alto rendimiento frecuentemente agregan un segundo bus, pero ese acercamiento no funcionará para chips con cientos de núcleos.

Uno de los problemas es que, dice Peh, “los buses requieren mucha energía, por que están tratando de manejar largos cables a ocho o 10 núcleos a la vez”. En el tipo de red que Peh está proponiendo, por otro lado, cada núcleo se comunica solo con los cuatro núcleos adyacentes a él. “Aquí, estás manejando segmentos de cables más cortos, así que eso te permite usar un voltaje más bajo”, ella explica.

En una red-en-un-chip, sin embargo, un paquete de datos viajando de un núcleo al otro tiene que detenerse en cada ruteador en el medio. Además, si dos paquetes llegan al ruteador al mismo tiempo, uno de ellos debe ser almacenado en memoria mientras que el ruteador maneja el otro. Muchos ingenieros, dice Peh, se preocupan de que estos requerimientos extras introducirán los suficientes retrasos y complejidad computacional para contrarrestar los beneficios de la conmutación de paquetes. “El problema más grande, pienso, es que en la industria justo ahora, la gente no sabe como construir estas redes, porque han sido buses por décadas”, dice Peh.

Pensando a futuro

Peh y sus colegas han desarrollado dos técnicas para hacer frente a estas preocupaciones. Una es algo que ellos llaman “evitado virtual”. En Internet, cuando un paquete llega a un ruteador, el ruteador inspecciona su información de direccionamiento antes de decidir por que camino enviarlo. Con un evitado virtual, sin embargo, cada router envía una señal previa al siguiente, para que pueda preajustar el cambio, aumentando el paquete sin ninguna computación adicional. En su grupo de chips de prueba, dice Peh, el evitado virtual permitió un acercamiento muy cerrado a la máxima tasa de transmisión predecida por análisis teórico.

La otra técnica es algo llamado señalización de baja oscilación. Los datos digitales consisten de unos y ceros, que son transmitidos por canales de comunicaciones como voltajes altos y bajos. Sunghyun Par, un estudiante de doctorado aconsejado por Peh y Anantha Chandrakasan, profesor de Ingeniería Eléctrica, desarrolló un circuito que reduce la oscilación entre los voltajes altos y bajos de un voltio a 300 milivoltios. Con su combinación de evitado virtual y señalización de baja oscilación, el chip de prueba de los investigadores consumió 38 por ciento menos energía que chips de ruteo de prueba anteriores. Los investigadores tienen más trabajo por hacer, dice Peh, antes de que el consumo de energía de sus chips de prueba se acerquen tanto a su límite teórico como lo hace la tasa de transmisión de datos. Pero, ella agrega, “si lo comparamos contra un bus, tenemos ahorros de órdenes de magnitud”.

Luca Carloni, un profesor asociado de Ciencia Computacional en la Universidad de Columbia quien también investiga redes en chips, dice “el jurado siempre está afuera” en el futuro del diseño de chips, pero que “las ventajas de redes de intercambio de paquetes en chips se ven atractivas”. Él enfatiza que esas ventajas incluyen no solo la eficiencia operacional de los mismos chips, sino también “un nivel de regularidad y productividad al momento de diseñarlos que es muy importante”. Y dentro del campo, añade, “las contribuciones de Li-Shiuan son fundamentales”.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)

Nanopartículas dirigidas muestran éxito en pruebas clínicas

Pequeñas partículas diseñadas para quedarse en células cancerosas logran reducir tumores con dosis más bajas que la quimioterapia tradicional.

Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés).

Nanopartículas terapéuticas dirigidas que se acumulan en tumores mientras que pasan de lado células saludables han mostrado resultados prometedores en una prueba clínica que se está llevando a cabo, de acuerdo a una nueva revista académica.

Las nanopartículas tienen una molécula mensajera que les permite atacar específicamente células cancerosas, y son las primeras de dichas partículas dirigidas en entrar a estudios clínicos humanos. Originalmente desarrolladas por investigadores en el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) y el Hospital Brigham and Women en Boston, las partículas están diseñadas para cargar la droga de quimioterapia docetaxel, usada para tratar cánceres de pulmón, próstata y mama, entre otros.

En el estudio, que aparece en la edición del 4 de abril del diario Science Translational Medicine, los investigadores demuestran la habilidad de las partículas para dirigirse a un receptor encontrado en células cancerosas y acumularse en los sitios de tumores. Las partículas también se mostraron seguras y efectivas: muchos de los tumores de pacientes se encogieron como resultado del tratamiento, aún cuando recibieron dosis más bajas que las usualmente administradas.

“Los resultados clínicos iniciales de regresión de tumores incluso con dosis bajas de la droga validan nuestros descubrimientos pre-clínicos de que nanopartículas dirigidas se acumulan preferencialmente en tumores”, dice Robert Langer, profesor del Departamento de Ingeniería Química del Instituto David H. Koch en el MIT y un autor principal de la revista académica. “Intentos previos de desarrollar nanopartículas dirigidas no se han trasladado exitosamente a estudios clínicos humanos por la dificultad inherente de diseñar y escalar una partícula capaz de dirigirse a tumores, evadiendo el sistema inmune y liberando drogas en una forma controlada”.

La prueba clínica fase 1 fue realizada por investigadores en BIND Biosciences, una compañía cofundada por Langer y Omid Farokhzad en el 2007.

“Este estudio demuestra por primera vez que es posible generar medicinas con propiedades dirigidas y programables que pueden concentrar los efectos terapéuticos directamente en el sitio de la enfermedad, potencialmente revolucionando cómo enfermedades complejas como el cáncer son tratadas”, dice Farokhzad, director del Laboratorio de Nanomedicina y Biomateriales en el hospital Brigham and Women, profesor asociado de anestesia en la Escuela de Medicina de Harvard y un autor principal de la revista académica.

Investigadores en el Instituto del Cáncer Dana-Farber, el Colegio Médico Weill Cornell, Servicios de Investigación Clínica TGen en Phoenix y el Institudo del Cáncer Karmanos en Detroit también estuvieron involucrados en el estudio.

Partículas dirigidas

El laboratorio de Langer comenzó a trabajar en nanopartículas poliméricas a inicios de los 90, desarrollando partículas hechas de materiales biodegradables. A principios de esta década, Langer y Farokhzad comenzaron a colaborar para desarrollar métodos para dirigir activamente las partículas a moléculas encontradas en células cancerosas. Para el 2006, ya habían demostrado que las nanopartículas dirigidas pueden encoger tumores en ratones, pavimentando el camino para el desarrollo eventual y la evaluación de una nanopartícula dirigida llamada BIND-014, que entró en pruebas clínicas en enero del 2011.

Para este estudio, los investigadores recubrieron las nanopartículas con moléculas direccionadoras que reconocen una proteína llamada PSMA (prostate-specific membrane antigen – antígeno membranal específico de la próstata), encontrado abundantemente en la superficie de la mayoría de las células de tumores de la próstata así como muchos otros tipos de tumores.

Uno de los desafíos desarrollando nanoparticulas de entrega de drogas efectivas, dice Langer, las está diseñando para que puedan realizar dos funciones críticas: evadir la respuesta inmunitaria normal del cuerpo y alcanzar sus objetivos deseados.

“Necesitas exactamente la combinación correcta de estas propiedades, por que si no tienen la concentración correcta de moléculas dirigidoras, no alcanzarás las células que quieres, y si no tienen las propiedades sigilosas correctas, serán tomadas por los macrófagos”, dice Langer, también un miembro del Instituto David H. Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer en el MIT.

Las nanopartículas BIND-014 tienen tres componentes: uno que carga la droga, uno que apunte al PSMA, y uno que ayude a evadir macrófagos y las demás células inmunológicas. Hace unos pocos años, Langer y Farokhzad desarrollaron una forma de manipular estas propiedades de forma muy precisa, creando grandes colecciones de partículas diversas que podrían ser probadas para la composición ideal.

“Ellos sistemáticamente hicieron un grupo de materiales que variaban en las propiedades que ellos pensaron que importarían, y desarrollaron una manera de monitorearlos. Eso no ha sido hecho en este tipo de entorno antes”, dice Mark Saltzman, un profesor de ingeniería bioquímica en la Universidad de Yale quien no estuvo involucrado en este estudio. “Han tomado el concepto del laboratorio a las pruebas clínicas, lo que es muy impresionante”.

Todas las partículas están hechas de polímeros ya aprobados para uso médico por la Administración de Alimentos y Drogas (FDA – Food and Drug Administration) de los Estados Unidos.

Resultados clínicos

La prueba clínica fase 1 involucró a 17 pacientes con tumores avanzados o metastáticos que ya habían pasado por la quimioterapia tradicional. En pruebas fase 1, investigadores evalúan la seguridad de una droga potencial y estudian sus efectos en el cuerpo. Para determinar las dosis seguras, a los pacientes les fueron dadas dosis escaladas de nanopartículas. Hasta ahora, dosis de BIND-014 han alcanzado la cantidad de docetaxel usualmente dadas sin nanopartículas, sin nuevos efectos secundarios. Los efectos secundarios conocidos del docetaxel también han sido más suaves.

En las 48 horas después del tratamiento, los investigadores encontraron que la concentración de docetaxel en la sangre de los pacientes era 100 veces más alta con las nanopartículas comparadas al docetaxel administrado en su forma convencional. La más alta concentración en la sangre de BIND-014 facilitó el direccionamiento a los tumores resultando en una reducción de los tumores en pacientes, en algunos casos con dosis de BIND-014 que correspondía a un 20 por ciento de la cantidad de docetaxel normalmente dada. Las nanopartículas también fueron efectivas en cánceres en los que el docetaxel usualmente tiene poca actividad, incluyendo el cáncer cervical y el cáncer de los ductos de la bilis.

Los investigadores también encontraron que en animales tratados con la nanopartícula, la concentración de docetaxel en los tumores era hasta diez veces más altas que en animales tratados con inyecciones de docetaxel convencional las primeras 24 horas, y que el tratamiento con nanopartículas resultó en una reducción de tumores mejorada.

La prueba clínica fase 1 sigue llevándose a cabo; BIND Biosciences ahora planea las pruebas fase 2, que investigarán aún más la efectividad del tratamiento en un mayor número de pacientes.

El desarrollo inicial de las partículas en el MIT y en el Hospital Brigham and Women fue patrocinado con fondos del Instituto Nacional del Cáncer, el Instituto Nacional de Obtención de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería, el Instituto David H. Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer en el MIT, la Fundación del Cáncer de Próstata, un regalo de David H. Koch y el Centro del Cáncer de Próstata Dana-Farber de Harvard (SPORE). Desarrollo subsecuente por BIND Biosciences fue patrocinado con fondos del Instituto Nacional del Cáncer, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, y BIND Biosciences. Todos los institutos son de los Estados Unidos.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)