Como en una sinfonía matemática, y de manera computacional, un físico diseñó un nuevo modelo numérico que le permitiría a la ciencia potenciar el uso del ultrasonido (frecuencias mayores a los 20.000 hercios, imperceptibles para el ser humano), y de la elevación acústica (técnica que permite manipular y elevar con sonido cualquier tipo de fluido o material) para eliminar cálculos renales, por ejemplo, y transportar medicamentos de manera más precisa en el organismo.
Este avance sin precedentes complementa descubrimientos como el desarrollado en 2020, cuando un grupo de científicos de la Universidad de Washington y de la Universidad Estatal de Moscú eliminaron los cálculos renales de un cerdo usando de pinzas acústicas, un aparato que emite ultrasonido y que se puso sobre el animal, sin necesidad de hacerle ningún otro procedimiento. En seres humanos se ha venido estudiando la litotricia, que hace un procedimiento similar y parece tener un campo promisorio.
Sin embargo en el rompecabezas físico aún faltan piezas sobre el funcionamiento de la elevación acústica, en especial sobre cómo interactúa con un fluido y permite usarlo para algún procedimiento, ya sea médico o biotecnológico; esta técnica se ha popularizado y estudiado desde la década de 1990.
Por eso el físico Esteban Castro Ávila, magíster en Física de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL), diseñó un procedimiento numérico basado en el famoso método Lattice Boltzmann, utilizado para entender y simular el comportamiento y los cambios en densidad y velocidad de un material o fluido; en este trabajo se estudió el caso de una esfera.
Según el experto, los físicos que investigan la elevación acústica se especializan en resolver las ecuaciones complejas de los fluidos (conocidas como ecuaciones de Navier-Stokes), cuyo resultado puede tomar mucho tiempo, pues en sus simulaciones hay que procesar demasiados datos y variables. Por eso su modelo tomó otro camino resolviendo la ecuación de ondas, que siendo más sencilla permite llegar al mismo resultado, y lo mejor de todo, en máximo 3 minutos, pues con la simulación computacional el proceso es más eficiente.
“Esto nos ayudaría a entender cómo, por medio de ultrasonido, se pueden manipular partículas diminutas en los vasos sanguíneos, entre otros objetos microscópicos, potenciando así los fármacos en distintas enfermedades; además, por ejemplo en los cálculos renales se evitarían incisiones quirúrgicas, ya que se podría llegar a los lugares en donde están y moverlos para que el organismo los expulse”, explica el investigador Castro.
Añade que “estos procedimientos también se han estudiado con pinzas ópticas, aparatos que usan rayos láser para generar el mismo efecto pero con electromagnetismo, capaz de manipular microorganismos o bacterias. Los científicos que propusieron esta técnica en la década de 1970 recibieron el Premio Nobel de Física en 2018”.
No obstante, la potencia necesaria para el procedimiento es muy alta, hasta 100.000 veces mayor que con el sonido, lo que quiere decir que la alternativa de la elevación acústica es más viable para usarla a futuro en los seres humanos sin que haya algún tipo de efecto secundario.
La investigación se realizó en Colombia y Alemania, y contó con el apoyo de los profesores José Daniel Muñoz Castaño, del Departamento de Física de la UNAL, y Paolo Malgaretti, del Instituto Helmholtz Erlangen-Nürnberg de Energías Renovables (Alemania). Para ello se usaron dos softwares especializados: Lattice Boltzmann LB3D y un código C++ propio.
“Para el estudio se realizaron dos simulaciones, una en dos dimensiones y otra en tres; allí se observó el comportamiento de la onda del ultrasonido durante la elevación acústica, en la que también se genera una onda de respuesta cada vez que está en contacto con el fluido o material, algo similar a lo que ocurre cuando se jala una cuerda”, explica el magíster.
Lo anterior determina cómo se dispersa o propaga el sonido por el medio, que puede ser agua, aire u otra sustancia, y además el tiempo de cómputo medio, que en este caso es de 30 segundos en la simulación bidimensional y de 3 minutos en la tridimensional para un dominio de simulación relativamente pequeño.
“El desarrollo del modelo permite entender partes de este problema físico que no comprendíamos antes y que deberán seguir siendo investigadas para tener la solución más cercana posible a la realidad, y que en un futuro, cuando se aplique la técnica de elevación acústica con ultrasonido tenga la misma precisión que se obtiene en las simulaciones”, concluye el físico de la UNAL.
