A lo largo de los últimos 10 años, miles de soldados han regresado de Irak y Afganistán con lesiones cerebrales traumáticas provocadas por la explosión de artefactos explosivos improvisados. Cada vez hay más evidencia que sugiere que las ondas de choque producidas por estas explosiones podrían provocar lesiones que son diferentes de las conmociones cerebrales sufridas en los accidentes de tráfico y los partidos de fútbol--y que, incluso en las explosiones aparentemente menores, de las que un soldado podría salir aparentemente ileso, podrían dañar el cerebro, especialmente en caso de exposición repetida.

Un nuevo dispositivo desarrollado por investigadores de la Escuela de Medicina de la Universidad de Pensilvania podría proporcionar una manera simple de medir la magnitud de las explosiones a las que un soldado ha sido expuesto con el tiempo. También podría ayudar a los científicos a entender mejor el umbral para que se produzca una lesión cerebral.

"Los soldados [que sufren de una leve lesión cerebral traumática] a menudo pueden parecer normales, por lo que es de una importancia crítica disponer de algún tipo de medida objetiva que indique qué soldados han estado expuestos a una explosión lo suficientemente potente como para causar una lesión cerebral", señala Kacy Cullen, profesor asistente de neurocirugía en Penn y líder del estudio. "Estos dispositivos no diagnostican una lesión cerebral, pero sí que podrían indicar quién necesita un estudio más completo, y podría influir en las decisiones acerca de cuándo puede volver a la acción un soldado."

Las potentes explosiones provocadas por artefactos explosivos improvisados generan una onda supersónica seguida de otra onda de choque llamada onda de sobrepresión. Estas fuerzas son a menudo lo suficientemente fuertes para hacer volar a alguien por los aires, provocando el tipo de impacto contundente que se podría experimentar en un accidente de coche. Sin embargo, muchos científicos creen que las propias ondas, aparte del impacto, pueden dañar el cerebro.

Los militares han aumentado los esfuerzos para medir las propiedades específicas de las explosiones utilizando acelerómetros y sensores de presión montados sobre cascos, pero estos dispositivos tienen inconvenientes. "Pueden ser muy caros, complejos, y requerir energía para funcionar", explica Cullen. "El nuestro es un indicador basado en un material, por lo que no requiere una fuente de alimentación interna, es el poder de la explosión quien provoca el cambio de color."

De la misma forma que ocurre con las alas de una mariposa, el color del material utilizado en el detector viene determinado por su estructura en vez de por su composición química o por un pigmento. Éste contiene cristales fotónicos compuestos de capas de poros separados por columnas de unos pocos cientos de nanómetros de ancho--el tamaño de los poros y de las columnas y la forma en que todo está organizado dentro de la estructura determina el color del sensor. Cuando el sensor es expuesto a una onda de choque, las columnas se colapsan, lo que o bien hace cambiar el color del material o hace que se vuelva totalmente incoloro.

El cristal tridimensional se fabrica con múltiples rayos láser que tallan formas precisas en una hoja de plástico fotosensible, usando una tecnología de litografía holográfica desarrollada por Shu Yang, profesor del departamento de ciencia e ingeniería de los materiales de Penn. El resultado es un material mecánicamente fuerte pero ligero. Al variar la composición química y la composición de los materiales, los cristales fotónicos tridimensionales pueden ser muy resistentes a condiciones extremas de calor, frío, humedad o sequedad. "Se puede golpear con un martillo, y no cambiará de color," afirma Smith. "Sólo se romperá con el tipo de onda de choque de muy alta frecuencia al que podría ser expuesto en una explosión."

Una de las ventajas del enfoque de cambio de color es que alerta inmediatamente a los soldados y médicos de campo cuando un individuo ha estado expuesto a una explosión de un nivel que podría causar lesiones.

Los investigadores pueden cambiar la nanoestructura o los componentes del material con el fin de alterar la frecuencia y la magnitud específicas de la onda expansiva supersónica que provocaría el cambio de color, lo que permite a los investigadores sintonizar la chapa para que responda a diferentes tipos de choques. "También podemos modificar el material para que cambie de color en respuesta a la exposición repetida", afirma Douglas Smith, director del Centro de Lesiones Cerebrales y Reparación de Penn, quien fue el autor principal del estudio. "Podríamos crear un dispositivo con múltiples componentes capaces de detectar tanto una única exposición como la exposición acumulativa, por ejemplo, en una chapa de radiactividad".

Una parte de la siguiente fase del trabajo será determinar cuál debería ser el umbral. Los investigadores están estudiando animales expuestos a explosiones, en busca de los niveles mínimos capaces de inducir daño cerebral. Smith tiene como objetivo comenzar las pruebas de campo de los dispositivos durante los próximos dos años. Los investigadores señala que como el proceso de fabricación es similar al utilizado para fabricar otros componentes electrónicos, éste debería ser fácilmente escalable.

Smith señala que el cerebro puede responder a las explosiones de forma similar a como lo hacen los nanocristales. "Las estructuras esqueléticas dentro de las células, en particular los axones [las fibras delgadas que conectan las neuronas], pueden ser muy vulnerables a la alta frecuencia de la ondas expansivas", explica él. De la misma forma que que la plastilina puede alargarse mucho si se estira lentamente, pero se puede romper por la mitad si se estira demasiado rápido, los axones también se vuelven más rígidos cuando sufren una deformación rápida. "Con la exposición a una explosión, la vibración rápida podría romper parte de las estructuras que constituyen las células, por lo que pasan de comportarse como plastilina a comportarse casi como si fueran de cristal", indica él. "Incluso un pequeño alargamiento puede romperles algunas partes."