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16/01/2024

Impresión 4D en Medicina

Por DOCMED

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En el futuro se podrán imprimir endoprótesis vasculares (stents) u otras piezas en 4D que reaccionen al calor corporal y se expandan para adaptarse al paciente.

En abril del 2013, Skylar Tibbits, fundador del Laboratorio de autoensamblaje MIT, organizó una conferencia TEDx que revolucionó el mercado de la impresión 3D: por primera vez, se agregaba una cuarta dimensión a esta tecnología que ya había revolucionado muchos sectores.

Skylar explicó que “es posible agregar a un material de impresión 3D una nueva característica: la capacidad de transformarse a través del tiempo”.

 El material podría cambiar de forma por sí mismo, sin intervención humana, sino simplemente por el efecto de un factor externo como la luz, el calor, la vibración, etc.

Desde entonces, la impresión 4D ha sido de interés para muchas industrias que ven un gran potencial para personalizar dispositivos y estructuras. Las nuevas empresas que se centrarán en esta tecnología deberán atraer cientos de millones de dólares en capital de riesgo.

La impresión 4D y su funcionamiento

La impresión 4D está fuertemente inspirada en el principio del autoensamblaje, que no es un concepto nuevo; el autoensamblaje molecular  es en el que se forman estructuras complejas sin intervención humana. Es un concepto que también se usa mucho en nanotecnología.

Mientras que la impresión 3D produce objetos que conservan su forma fija, la impresión 4D cambia sus formas, sus colores, su tamaño, la forma en que se mueven, etc.

Utiliza materiales ya conocidos en la industria llamados materiales «inteligentes», los cuales pueden ser programados para cambiar de forma bajo el efecto de un factor externo, como la temperatura, como si fuese un ordenador que obedece a un código.

Por lo tanto, este código se agrega al material que proporciona instrucciones para la pieza impresa. Bastien E. Rapp, presidente del laboratorio de tecnología de procesos NeptunLab, explica: «La impresión 4D es la forma funcional de la impresión 3D. En lugar de imprimir solo estructuras físicas, ahora podemos imprimir funciones, es como incorporar un fragmento de código en un material: una vez activado, logra hacer lo que has programado.

Los materiales de impresión 4D no son tan variados como los de la fabricación aditiva porque la tecnología aún está dando sus primeros pasos.

En primer lugar,  los polímeros con memoria de forma (PMF), que son materiales capaces de memorizar una forma macroscópica, preservarla durante cierto tiempo y volver a su forma original bajo el efecto del calor, sin ninguna deformación residual.

Otros estímulos indirectos también pueden causar la transformación: un campo magnético, eléctrico o de inmersión en agua.

Otro material de impresión 4D son los elastómeros de cristal líquido (LCE), que, como su nombre lo indica, contienen cristales líquidos que son sensibles al calor. Al controlar su orientación, se puede programar la forma deseada: bajo el efecto de la temperatura, el material se relajará y transformará de acuerdo con el código dictado.

Tercer material: hidrogeles, estas son cadenas de polímeros hechas principalmente de agua, particularmente usadas en procesos de fotopolimerización.

Estos últimos están centrados ​​en el sector médico debido a su biocompatibilidad.

Algunos procesos de impresión 4D usan materiales múltiples: son principalmente compuestos (madera, carbono, etc.) que se agregan a PMF o hidrogeles. El laboratorio de autoensamblaje MIT comenzó su investigación en impresión 4D desde una máquina Connex de Stratasys, basada en la tecnología binder jetting, un proceso de múltiples materiales.

Finalmente, todo el proceso de impresión 4D reside en el material: es necesario comprender cómo reaccionará ante cierto estímulo. Bastien dice que “se necesita una muy buena ciencia de los materiales para facilitar la impresión 4D”.

Una vez que esté bien integrado, se pueden usar diferentes tecnologías de impresión 3D: estereolitografía, binder jetting (para todos los materiales múltiples) y deposición de material fundido: trabajando con polímeros.

Con mayor frecuencia, la impresora utilizada es una máquina 3D mejorada capaz de tener en cuenta nuestra cuarta dimensión. Bastien continúa: Dependiendo de la complejidad de su cuarta dimensión, puede ser tan fácil como imprimir dos materiales en paralelo. También, puede implicar calentar o enfriar el material durante el proceso de fabricación.

Dado que es posible programar un material inteligente como se desee, parecería que las aplicaciones de la impresión 4D son bastante grandes. Imagina un objeto que puede tomar cualquier forma: la tecnología puede afectar al sector de la construcción para erigir estructuras adaptadas a las condiciones climáticas, bienes de consumo que se ajusten a la morfología de cada uno, medicamentos, etc.

Una de las primeras ideas de Skylar Tibbits fue utilizar la impresión 4D para hacer tuberías inteligentes: cambiarían de forma según el volumen de agua que contengan, pero también, cuando ocurriera cualquier fenómeno bajo tierra. Esto evitaría desenterrarlos y cambiarlos, un proceso lento y, sobre todo, muy costoso.

Uno de los sectores más interesados ​​en la impresión 4D es, sin duda, la medicina: ofrece la posibilidad de crear dispositivos a medida, inteligentes y en evolución.

Por ejemplo, al imprimir un implante 4D, podría controlar más fácilmente su estado y viabilidad una vez integrado por el paciente.

En el 2015, un equipo médico de la Universidad de Michigan salvó la vida de tres bebés, con problemas respiratorios, al colocarles un implante impreso en 4D.

El artilugio de policaprolactona, diseñado a la medida de cada paciente, se ideó para adecuar su tamaño al crecimiento de los pequeños y disolverse por sí solo cuando fuese innecesario.

En el futuro se podrán imprimir endoprótesis vasculares (stents) u otras piezas en 4D que reaccionen al calor corporal y se expandan para adaptarse al paciente.

Es lo mismo para toda medicina regenerativa y la fabricación de estructuras celulares.

La impresión 4D permitiría a las células adaptarse al cuerpo humano dependiendo de su temperatura, por ejemplo, Chloé Devillard, quien actualmente está preparando su tesis en 3d.FAB, explicó: «Estamos trabajando con la impresión 4D para aplicaciones en ingeniería de tejidos y medicina regenerativa para reparar anomalías de la vida».

La utilizó para reproducir un vaso sanguíneo más cercano a la realidad fisiológica, funcional y mecánicamente.

Imagina un medicamento impreso en 4D que podría liberar su sustancia dependiendo de la temperatura del cuerpo del paciente.

Esta es una de las investigaciones del Dr. Fang en el MIT que explica: “Queremos utilizar la temperatura corporal como desencadenante. Si podemos diseñar los polímeros adecuadamente, podremos crear un dispositivo de administración de medicamentos que solo libere el medicamento si se produce fiebre.”

Aunque llena de promesas, la tecnología aún tiene limitaciones: se desconoce cuál es la resistencia real de los materiales inteligentes a lo largo del tiempo y si son capaces de seguir cumpliendo sus funciones después de los años.

La impresión 4D exige mucho conocimiento técnico y exigente, situación por la cual, se considera que no lo democratizará tanto como la fabricación aditiva.

Es un tema bastante complejo que requiere muy buen material y control de fabricación, es posible que no esté tan ampliamente disponible y accesible como la impresión 3D en sí misma.

Pero, tendrá un impacto significativo en la industria

Fuentes:

Imagen Iberdrola https://www.iberdrola.com/innovacion/que-es-la-impresion-4d 3D Natives https://www.3dnatives.com/es/

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