Vincitori della borsa di studio del college per i materiali avanzati di Stanford per il 2021

Laborsa di studio universitaria SAM 2021 si concentra sull'impatto delle nuove tecnologie e dei nuovi materiali sulla nostra società. I materiali avanzati ci hanno portato un futuro brillante, ma ci sono ancora diversi problemi tecnologici. Pertanto, il SAM ha invitato gli studenti a parlare di quale problema tecnologico rappresenterà la sfida più grande nel prossimo decennio. Il SAM ha anche chiesto loro di condividere i progetti precedenti che hanno risolto un problema utilizzando materiali avanzati.

Negli ultimi mesi abbiamo ricevuto circa 150 saggi e 20 video. Tutti questi studenti hanno fatto un buon lavoro e ci auguriamo che in futuro raggiungano grandi risultati!

Alla fine abbiamo selezionato due vincitori.

Madeline Brown
dell'Università della California, San Diego

Lettera di ringraziamento di Madeline Brown

Alex Guerra
dell'Università statale di San Jose

Lettera di ringraziamento di Alex Guerra

Ecco i loro contributi.

Saggio - Madeline Brown

La scomparsa del bisturi: uno sguardo al futuro della chirurgia

Mentre il campo della medicina è progredito, una pratica è rimasta nel passato arcaico. A prescindere dai progressi tecnologici nel campo della chirurgia, la pratica di aprire attivamente il corpo umano tramite incisione richiama alla mente le immagini delle pratiche barbariche della medicina antica. Non solo espone il corpo a malattie attraverso microbi resistenti agli antibiotici, ma un'incisione di qualsiasi tipo genera tessuto cicatriziale: un ricordo post-chirurgico estremamente doloroso per qualsiasi paziente. Affrontare questo problema non sarà un'impresa facile; tuttavia, l'utilizzo di materiali avanzati lo rende possibile.

La mia passione per il miglioramento dei metodi chirurgici è nata vicino a casa, con mia madre. A metà del mio primo anno di università, mia madre ha scoperto di dover sostituire una valvola cardiaca. L'intervento è stato condotto con una procedura minimamente invasiva: un'incisione fatta nell'ascella destra che attraversa un'arteria fino alla valvola interessata. Dopo l'intervento, io e mio fratello siamo rimasti con lei in sala di rianimazione; è stato in questa stanza che ho capito che la chirurgia moderna era sbagliata. Per tutto il tempo ha sofferto, ma non era il cuore a farle male: era l'incisione. Con il passare del tempo dopo l'intervento, la gestione delle complicanze associate all'incisione divenne ardua. Nel tentativo di prevenire le infezioni, le pulizie quotidiane e la sostituzione del bendaggio divennero la norma. Sebbene le istruzioni post-chirurgiche fossero state seguite alla lettera, mia madre continuava a soffrire di dolore nell'area dell'incisione, probabilmente a causa dell'accumulo ditessutocicatriziale. Èstataquesta idea, che il dolore fosse inutile, a spingermi a creare un metodo chirurgico che potesse prevenire il tessuto cicatriziale prima che iniziasse: un metodo chirurgico senza incisione.

La soluzione alla chirurgia avanzata sarebbe stata l'applicazione strategica di dispositivi per la somministrazione di farmaci. In particolare, una combinazione di particelle di silicio poroso e di un polimero. I vantaggi di questo sistema ibrido diventano evidenti quando si analizzano i suoi componenti. Le particelle di silicio possono essere regolate per contenere specifici carichi di farmaci, mentre il polimero verrebbe utilizzato per evitare che le particelle migrino in aree non previste. Il fascino di questo metodo risiede nel fatto che può essere adattato alle esigenze di un paziente specifico e che è quasi non invasivo. Ad esempio, se un paziente viene colpito da un ictus ischemico, per diffondere il coagulo, le particelle di silicio caricate con t-PA possono essere guidate attraverso il flusso sanguigno fino al punto in cui si trova il coagulo e agire per disperderlo. Ciò si rivela particolarmente vantaggioso in quanto dirige il t-PA potenzialmente tossico in un punto isolato e ha la capacità di essere massimamente efficace nel rimuovere il coagulo.

Con un finanziamento adeguato, inizierei a testare le capacità di un sistema di somministrazione di farmaci ibridi polimero-silicio poroso. L'impalcatura per le particelle caricate di farmaco sarebbe il policaprolattone (PCL), poiché questo polimero approvato dalla FDA ha dimostrato di incapsulare efficacemente le nanoparticelle di silicio [1]. In secondo luogo, le particelle di silicio poroso verrebbero prodotte tramite incisione elettrochimica [2]; queste particelle hanno la capacità unica di essere finemente regolate per caricare vari farmaci. La "regolazione" può essere effettuata modificando la porosità e la dimensione delle particelle, ottimizzando entrambe le caratteristiche per ospitare adeguatamente il carico utile scelto. A seconda della funzione prevista del sistema di rilascio di polimeri con particelle ibride, il farmaco caricato varierebbe. Ad esempio, se mi concentro sulla rivascolarizzazione dei tessuti, caricherei nelle particelle di silicio varie forme di VEGF (ognuna delle quali ha dimostrato di avere un impatto diverso sulla vascolarizzazione). Una volta che le particelle di silicio poroso sono state caricate con il farmaco desiderato, potrebbero essere incorporate nel PCL tramite nebulizzazione spray: unendo le due soluzioni e spruzzando da un aerografo. [3] Quando viene spruzzato dall'aerografo, il PCL forma fibre orientate che, una volta concentrate, formano un patch. Tale cerotto può essere tagliato in base alle dimensioni e introdotto nel corpo tramite un trocar, riducendo così l'impatto di un'incisione a quello di un vaccino di grandi dimensioni.

Per eseguire procedure più complesse, è necessario utilizzare una serie di combinazioni di particelle e polimeri: particelle per eseguire e chiudere incisioni, promuovere la guarigione, ecc. Ciascuna di esse richiederebbe un processo di ricerca separato, tuttavia, una volta riunito, il sistema rivoluzionerebbe la medicina. Dopo tutto, un sistema chirurgico somministrato attraverso un'iniezione produrrebbe un processo non solo meno suscettibile alle infezioni resistenti agli antibiotici, ma anche meno suscettibile all'accumulo di tessuto cicatriziale doloroso.

L'evoluzione della medicina dipende dal riconoscimento delle sue insidie, per quanto piccole possano essere per un osservatore. Nel caso della chirurgia moderna, siamo caduti nel ritmo di causare danni aipazientiper curare i loro disturbi. Anche se questo sembra un nobile compromesso, non dobbiamo dimenticare il giuramento che tutti i medici hanno fatto: "primum non nocere", non fare del male. Quindi, per servire al meglio i pazienti, dobbiamo trovare un modo per abbandonare il bisturi a favore di tecniche nano e micro invasive. Abbracciando queste tecniche, possiamo spingere i confini della medicina più in là, per abbracciare davvero la massima del "non nuocere".

Citazioni

[1]Zuidema, J. M., Dumont, C. M., Wang, J., Batchelor, W. M., Lu, Y.-S., Kang, J., Bertucci, A., Ziebarth, N. M., Shea, L. D., Sailor, M. J., Porous Silicon Nanoparticles Embedded in Poly(lactic-co-glycolic acid) Nanofiber Scaffolds Deliver Neurotrophic Payloads to Enhance Neuronal Growth. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2002560. https://doi.org/10.1002/adfm.202002560

[2]Qin, Z., Joo, J., Gu, L. e Sailor, M.J. (2014), Controllo delle dimensioni delle nanoparticelle di silicio poroso mediante mordenzatura elettrochimica di perforazione. Part. Part. Syst. Charact., 31: 252-256. https://doi.org/10.1002/ppsc.201300244

[3]Zuidema, J. M., Kumeria, T., Kim, D., Kang, J., Wang, J., Hollett, G., Zhang, X., Roberts, D. S., Chan, N., Dowling, C., Blanco-Suarez, E., Allen, N. J., Tuszynski, M. H., Sailor, M. J., Adv. Mater. 2018, 30, 1706785. https://doi.org/10.1002/adma.201706785

Video - Alex Guerra