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Ojos Biónicos

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Ojos Biónicos

Utilizando tecnología espacial, los científicos han desarrollado células de cerámica sensibles a la luz que podrían servir para reparar ojos humanos defectuosos.

NASA
Centro Marshall de Vuelos Espaciales

Enero 3, 2002: Bastones y conos. En la parte posterior de un ojo humano sano encontraremos millones de ellos. Son las celdas solares biológicas de la retina, capaces de convertir la luz en un impulso eléctrico -- impulsos que viajan a lo largo del nervio óptico al cerebro, donde se forma la imagen.

Sin ellos, estamos ciegos.

Así es, mucha gente es ciega -- o ha quedado ciega -- debido a fallas en el funcionamiento de bastones y conos. La retinitis pigmentosa y la degeneración macular son dos ejemplos de esta clase de enfermedades. La retinitis pigmentosa tiende a ser hereditaria y puede hacerse presente a temprana edad, mientras que la degeneración macular afecta principalmente a los ancianos. Juntas, estas enfermedades afectan a millones de personas; los efectos de ambas enfermedades son graduales y pueden conducir a la ceguera total.

Arriba: "Carta ocular con ojos". Philip Kaake. Derechos Reservados.

"Si sólo pudiésemos reemplazar esos bastones y conos defectuosos por unos artificiales", dice el Dr. Alex Ignatiev, un profesor de la Universidad de Houston, "una persona ciega por causa de la retina, podría recuperar algo de su visión".

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Hace diez años estas ideas eran sólo deseos. Ya no es así. Científicos del Centro de Vacío Espacial Epitáxico (Space Vacuum Epitaxic Center - SVEC) de Houston, experimentan con delgadas películas fotosensibles de cerámica, que reaccionan a la luz en forma parecida a como lo hacen los bastones y conos. Piensan que combinaciones de este tipo de películas podrían ser implantadas en ojos humanos, para recobrar la visión perdida.

"Hay algunas enfermedades donde los sensores del ojo, los bastones y conos, se han deteriorado, pero todo 'el cableado' está aún en su lugar", dice Ignatiev, que dirige el SVEC. Es tales casos, estas delgadas películas sensibles de cerámica podrían servir como sustitutos para los bastones y conos deteriorados. El resultado sería un "ojo biónico".

El Centro de Vacío Espacial Epitáxico es un Centro Comercial Espacial (CSC por sus siglas en inglés) patrocinado por la NASA, de la Universidad de Houston. El programa de Desarrollo de Productos Espaciales de la NASA (SPD), ubicado en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales, estimula la comercialización del espacio por la industria a través de 17 de estos Centros CSCs. En el SVEC, los investigadores aplican conocimientos obtenidos en experimentos realizados en el espacio, para desarrollar mejores lasers, fotoceldas y películas delgadas -- tecnologías con una doble posibilidad, humana y comercial.

Abajo: Un diagrama esquemático de la retina -- una capa sensible a la luz que cubre el 65% de la superficie interior del ojo. Los científicos del SVEC, tienen la esperanza de reemplazar los bastones y conos defectuosos en la retina, con microdetectores de cerámica. Imagen cortesía de A. Ignatiev.

Ignatiev destaca que científicos de la Universidad Johns Hopkins, del MIT, y de otras instituciones, ya han intentado crear bastones y conos artificiales. La mayor parte de estos intentos se basaba en fotodetectores de silicio. Pero el silicio es tóxico para el cuerpo humano y reacciona desfavorablemente con los fluidos del ojo -- problemas que no son compartidos por los detectores de cerámica del SVEC.

"Estamos realizando pruebas preliminares con detectores de cerámica para estar seguros de la biocompatibilidad, y parecen ser completamente estables" dice. "En otras palabras, el detector no se deteriora y [tampoco lo hace] el ojo."

"Estos detectores son películas delgadas, formadas átomo-por-átomo y capa -por-capa sobre un substrato - técnica llamada epitaxia", continúa Ignatiev. "Películas bien ordenadas como estas, fabricadas 'epitáxicamente', tienen [las mejores] propiedades ópticas".

Construir estas películas es una técnica que los científicos del SVEC han aprendido, a partir de los experimentos realizados utilizando la Instalación Wake Shield (Wake Shield Facility, WSF) - una plataforma en forma de disco de 4 metros de diámetro lanzada por el Trasbordador espacial. La WSF fue diseñada por los ingenieros del SVEC para estudiar la formación de películas epitaxiales en el ultra-vacío del espacio. "Formamos películas delgadas de óxido, utilizando el oxígeno atómico presente en la órbita baja de la Tierra como agente oxidante natural", dice Ignatiev. "Esos experimentos nos ayudaron a desarrollar los detectores de óxido (cerámica) que estamos usando ahora para el proyecto del Ojo Biónico".

Derecha: En 1996, durante la misión del Trasbordador STS-80, los astronautas utilizaron el brazo robótico del Columbia para desplegar la Instalación Wake Shield del Centro de Vacío Espacial Epitáxico. [más información]

Los detectores de cerámica son muy semejantes a las películas ultradelgadas que se utilizan en los chips de los computadores modernos, "de esta manera, podemos utilizar nuestros conocimientos técnicos en la construcción de semiconductores, y fabricarlos en conjuntos - como los chips en una fábrica de computadores", agregó. Los conjuntos son fijados en una estructura hexagonal, imitando la forma como se ordenan los bastones y conos que deberán remplazar.

La distribución natural de los detectores resuelve otro problema que afectaba la anterior investigación con silicio: la obstrucción del flujo de nutrientes en el ojo.

"Todos los nutrientes que alimentan el ojo fluyen de atrás hacia adelante", dice Ignatiev. "Si se implanta una estructura grande e impenetrable [como los detectores de silicio] en el ojo, los nutrientes no pueden circular" y el ojo se atrofiará. Los detectores de cerámica son unidades individuales con un tamaño de cinco micrones (el tamaño exacto de los conos), que permiten que los nutrientes fluyan a su alrededor.

Las retinas artificiales construidas en el SVEC consisten de 100 000 minúsculos detectores de cerámica, cada uno con 1/20 del grueso de un cabello humano. Este conjunto es tan pequeño que los cirujanos no pueden manipularlos sin dañarlos. Por esta razón, los detectores son adheridos inicialmente a una película de polímero con un tamaño de un milímetro por un milímetro. Unas dos semanas después de la inserción en la bola del ojo, la película de polímero se disuelve dejando libres los detectores.

La primeras pruebas humanas de estos detectores comenzarán este año. El Dr. Charles Garcia de la Escuela de Medicina de la Universidad de Texas, Houston, estará a cargo de la cirugía.

"Se realiza una incisión en la parte blanca del ojo y se eleva la retina inyectando líquido bajo ella", explica Garcia, comparando este espacio con el de una ampolla que se forma en la piel luego de una quemadura. "Dentro de esta pequeña ampolla, instalamos la retina artificial".

Izquierda: Esta delgada película de microdetectores de cerámica de primera generación, donde cada uno tiene unos 30 micrones, es adherida a un polímero portador, que ayuda a los cirujanos a manipularlos. La imagen de fondo muestra conos humanos con tamaños entre 5 a 10 micrones en una distribución hexagonal. Imagen cortesía de A. Ignatiev.

Los científicos aún no están seguros sobre cómo el cerebro interpretará los voltajes poco usuales de los bastones y conos artificiales. Creen que el cerebro eventualmente se adaptará. Sin embargo, puede que un lento proceso de aprendizaje sea necesario -- semejante a la forma en que los niños pequeños aprenden a distinguir formas y colores por primera vez.

"Hay un largo camino entre el laboratorio y la clínica", afirma Garcia. "¿Funcionarán? ¿Por cuánto tiempo? ¿Cuál será su capacidad de resolución? No lo sabremos hasta que implantemos los receptores en pacientes. La tecnología está en su infancia".

Ignatiev ya ha recibido más de 200 solicitudes de pacientes que supieron de los estudios por informes de prensa anteriores. "Estoy muy entusiasmado con ésto", dice. Advierte que aún se necesita más investigación, pero el proceso "es muy prometedor".

Enlaces a la Red, en inglés y español

Desarrollo de Productos Espaciales -- El objetivo del programa de Desarrollo de Productos Espaciales de la NASA (SPD), es de colaborar con los negocios estadounidenses a explorar el potencial -- y cosechar las recompensas -- de hacer negocios con técnicas espaciales. Esto contribuye a traer los beneficios del espacio a la Tierra, siempre que sea posible, y enriquece la vida diaria del público americano. "La inversión industrial en el espacio es alta", dice Mark Nall, gerente del programa SPD del Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA. "Apoyamos a las compañías que desarrollan experimentos y los ayudamos a explorar la manera cómo la investigación espacial puede contribuir al crecimiento de sus negocios".

El Centro de Vacío Espacial Epitáxico -- un Centro Comercial Espacial (CSC) patrocinado por la NASA en la Universidad de Houston.

Comercialización Espacial de NASA -- aprenda más sobre los esfuerzos de la NASA para aumentar la utilización de técnicas espaciales en la investigación de productos comerciales.

Webvision: Una excelente guía para el estudio del ojo humano. Secciones de interés incluyen Anatomía Fundamental del ojo y Datos y Cifras respecto a la Retina Humana. (Español)

Bastones y Conos en el Ojo Humano -- información básica de Conceptos de Hiperfísica.

La Astronomía y el Ojo Humano -- un tour por el interior del ojo desde el punto de vista de un astrónomo.

El Ojo Biónico -- una corta descripción técnica del Centro de Vacío Espacial Epitáxico.

Guía a la Retinitis Pigmentosa -- de la Sociedad Británica de Retinitis Pigmentosa.

Degeneración Macular -- aprenda más sobre esta enfermedad, del Instituto Nacional de Salud de Estados Unidos.

Anatomía del Ojo Humano -- de la enciclopedia médica MEDLINE Plus.

Instituto Nacional del Ojo


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Créditos y Contactos

Autores: Steve Price , Dr. Tony Phillips
Funcionario Responsable de NASA: John M. Horack
Editor de Producción: Dr. Tony Phillips

Curador: Bryan Walls
Relaciones con los Medios: Steve Roy Traductor al Español: Jorge Ianiszewski
Editor en Español: Héctor Medina
El Directorio de Ciencias del Centro Marshall para Vuelos Espaciales de la NASA patrocina el Portal de Internet de Science@NASA que incluye a Ciencia@NASA. La misión de Ciencia@NASA es ayudar al público a entender cuán emocionantes son las investigaciones que se realizan en la NASA y colaborar con los científicos en su labor de difusión.