Las aplicaciones biomédicas de las microondas en la NASA para la exploración espacial

A medida de que la exploración espacial ha ido captando la atención tanto de agencias gubernamentales así como también de startups y empresas privadas alrededor del mundo, se ha intensificado la investigación de tecnologías que permitan que los astronautas puedan estudiar espacios más lejanos, sin descuidar su salud y bienestar. Siendo uno de los mayores retos actuales enviar astronautas a Marte, se debe considerar que estos estarían más alejados que nunca de atención médica en la Tierra, además ya que la tasa de incidentes estimada para una emergencia médica es de aproximadamente una persona por misión espacial y de que los miembros de una tripulación tendrían el mínimo o nulo apoyo en tiempo real del control de la misión, es necesario desarrollar equipo médicos que puedan ser utilizados inclusive por médicos no especializados.

De esta manera, para asegurar el cuidado y bienestar de los astronautas, la División de Investigación Biomédica y Ciencias Ambientales (BR&ES) de la NASA en colaboración con su Dirección de Ingeniería, División de Sistemas de Aviónica crearon el Laboratorio de Ingeniería Biomédica para Tecnología de Exploración Espacial (BEEST), el cual ha logrado avances significativos en el campo de la salud y que han sido patentados en base al uso de las microondas [1], como las descritos a continuación.

Uno de ellos, es un dispositivo para tratar las caries usando energía de microondas aplicada directamente a los dientes a frecuencias letales para las bacterias que causan la caries, pero no para los tejidos dentales, logrando alterar el pH local de la lesión para promover favorablemente la remineralización espontánea del diente. La creación de este dispositivo, se basó en datos demostrados de que el Streptococcus mutans absorbe selectivamente microondas en la región de la banda Ka, por lo que se planteó el uso de microondas generadas en frecuencias de 26.5 GHz a 40 GHz [2].

Figura 1. Energía de microondas enfocada en un molar humano. Fuente: NASA.

Otra de sus patentes es un aparato para la soldadura de tejido biológico por microondas, el cual se puede usar para conectar dos o más piezas de tejido biológico de una herida o incisión pudiendo llegar a reducir la probabilidad de que se produzca una infección en o alrededor de una herida y permitiendo que se pueda restaurar el tejido biológico soldado a su resistencia a la tracción original. Para esto, se hace una mezcla de unas microesferas, que pueden controlar la profundidad y ubicación de la penetración del calor en la herida, con la soldadura biológica compuesta por agua estéril y albúmina sérica bovina (BSA) u otra albúmina sérica, incluida la derivada de humanos. Esta mezcla se dispone dentro, sobre o alrededor de la herida y posteriormente se calienta con las microondas que son transmitidas por la antena de este aparato, logrando así unir el tejido biológico.  Este aparato y su método de soldadura se puede aplicar sobre heridas superficiales, heridas de corte profundo, desgarros de piel y órganos internos como el hígado, el bazo y los riñones. De esta manera, se evita el uso de técnicas convencionales de sutura y grapado para la reparación biológica de tejido, que aumentan el riesgo de infección o reacción inmunológica adversa. Además, ha demostrado ser más eficaz que la reparación de tejido con láser, ya que estas son muy propensas a errores, requieren de un sistema de refrigeración complejo y voluminoso, etc [3].

Figura 2. Vista esquemática del sistema de soldadura por microondas uniendo dos piezas de tejido biológico. Fuente: Patente US8388613B1

Por otro lado, también se ha desarrollado un sistema para la descontaminación de agua, que logra eliminar uno o más contaminantes dentro de un medio, incluyendo bacterias, hongos, parásitos, virus y combinaciones de los mismos mediante una señal de microondas que tenga una frecuencia entre 10 GHz y 100 GHz, mientras que se aumenta la temperatura del medio en menos de 10 °C aproximadamente. De esta manera, el fluido no es calentado significativamente para eliminar los contaminantes vivos y se evita el uso de aditivos químicos con este fin [4].

Figura 3. Eliminación de contaminantes de agua con un sistema basado en microondas. Fuente: NASA Technology Transfer Program

Para finalizar, es notable cómo los conocimientos en ingeniería biomédica aplicados sobre la tecnología de las microondas se pueden emplear para diversos propósitos que pueden ser de beneficio global, sin embargo, en un ambiente tan hostil como el espacio exterior, marcan una diferencia remarcable ya que estos aparatos brindan más autonomía, seguridad y apoyo a los astronautas ante situaciones muy complejas. 

Referencias:

• [1] Lewis, R. E. Biomedical engineering for exploration space technology. NASA. [en línea]. 16 de marzo de 2023 [consultado el 13 de febrero de 2024]. Disponible en: https://www.nasa.gov/directorates/esdmd/hhp/biomedical-engineering-for-e...
• [2] Justia. Method and device for treating caries using locally delivered microwave energy. Justia [en línea]. [sin fecha] [consultado el 13 de febrero de 2024]. Disponible en: https://patents.justia.com/patent/10966809
• [3] Justia. Methods and apparatus microwave tissue welding for wound closure. Justia [en línea]. [sin fecha] [consultado el 13 de febrero de 2024]. Disponible en: https://patents.justia.com/patent/10966809
• [4] Justia. Microwave-based water decontamination system. Justia [en línea]. [sin fecha] [consultado el 13 de febrero de 2024]. Disponible en: https://patents.justia.com/patent/10966809
• [5] Dickey Arndt, G., Ngo, P. H., Phan, C. T., Byerly, D. L., Dusl, J. R., Sognier, M. A., & Carl, J. R. (2013). Methods and apparatus for microwave tissue welding for wound closure (Patent Núm. 8388613). En US Patent (Núm. 8388613).
• [6] NASA Technology Transfer Program. NASA’s microwave-based water decontamination system. (2020, febrero 25). Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=57MVPuBcvTg