“iMPLANTS-CM: Impresión de metamateriales empleando aleaciones con memoria y gradientes funcionales para una nueva generación de implantes inteligentes”

Proyecto Sinérgico de la Comunidad Autónoma de Madrid (Ref. Y2020/BIO-6756)

IP: Andrés Díaz Lantada, Dpto. Ingeniería Mecánica, Universidad Politécnica de Madrid

Co-IP: Jon Mikel Molina Aldareguia, Instituto IMDEA Materiales

Financiación: Dirección General de Investigación e Innovación Tecnológica, Consejería de Ciencia, Universidades e Investigación, Comunidad Autónoma de Madrid, Proyectos Sinérgicos de I+D en Nuevas y Emergentes Áreas Científicas en la Frontera de la Ciencia y de Naturaleza Interdisciplinar (Orden 93/2020 de 22 de junio).

Región: Comunidad Autónoma de Madrid.

Periodo de ejecución: 2021 – 2024.

Investigadores principales: Jon Mikel Molina Aldareguia (jon.molina@imdea.org) y Andrés Díaz Lantada (andres.diaz@upm.es).

Socios: Instituto IMDEA Materiales y Universidad Politécnica de Madrid (entidad coordinadora del proyecto).

Introducción

            Investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica de la ETSI Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid y del Instituto IMDEA Materiales investigan juntos en el proyecto “iMPLANTS-CM: impresión de metamateriales empleando aleaciones con memoria de forma y gradientes funcionales para una nueva generación de implantes inteligentes”. El proyecto está financiado por la Comunidad Autónoma de Madrid, a través de su convocatoria 2020 de “ayudas para la realización de proyectos sinérgicos de I+D en nuevas y emergentes áreas científicas en la frontera de la ciencia y de naturaleza interdisciplinar” recientemente resuelta. Se trata de una convocatoria altamente competitiva (18 proyectos elegidos entre unas 200 propuestas), inspirada en el modelo “Synergy Grant” del “European Research Council”.

iMPLANTS-CM persigue el diseño y la fabricación personalizada de implantes activos, capaces de modificar su geometría de forma controlada, para potenciar cirugías de mínima invasión y posibilitar evoluciones geométricas, que acompañen a los procesos de curación y crecimiento de los pacientes. Utilizará para ello tecnologías de impresión 3D y 4D, junto a materiales innovadores, en especial aleaciones “inteligentes” de Ni-Ti, así como geometrías especiales que potencien sus capacidades metamórficas. Entre las aplicaciones a desarrollar cabe citar: stents para tratamiento de aneurismas en bifurcaciones arteriales, estructuras para válvulas cardiacas y anillos de anuloplastia, implantables de forma mínimamente invasiva, y microbots para intervenciones controladas de forma remota en el interior del organismo humano.

Desafíos e hipótesis de partida

            Las tecnologías de fabricación aditiva, ahora populares bajo la denominación de “impresión 3D”, han reinventado muchos aspectos del desarrollo de productos en las últimas décadas. Aspectos como: la obtención de geometrías complejas y la consiguiente libertad geométrica a la hora de diseñar, que posibilitan la creación de objetos con características especiales;  la  eliminación de costosas herramientas productivas, con lo que se promueve la personalización; o la integración de funcionalidades que, a través de la citada complejidad geométrica, permiten reducir el número de componentes y operaciones implicados en la materialización de todo tipo de sistemas de ingeniería, son ahora realidades gracias al empleo de la fabricación aditiva. En el ámbito médico, las tecnologías de fabricación aditiva han permitido también mejorar numerosas actuaciones sobre los pacientes y promover la personalización en los tratamientos: la fabricación en base a imágenes médicas de los pacientes de modelos para entrenamiento y planificación quirúrgica, de guías de apoyo a la cirugía e incluso de implantes para reconstrucciones óseas, son ahora tendencia en la práctica médica, si bien su empleo no es aún generalizado.

Sin embargo, muchas de estas propuestas de aplicación de las tecnologías aditivas al campo de la salud, especialmente en el caso del desarrollo de implantes, son estáticas y no permiten una colaboración dinámica con los tejidos de los pacientes, que posibilite cirugías mínimamente invasivas o permitan una adaptación geométrica conforme a los procesos de curación o crecimiento de los pacientes. El empleo de implantes “inteligentes”, capaces de sufrir progresivas metamorfosis conforme a los procesos quirúrgicos, de integración biológica, de curación y de crecimiento, y que además se diseñen de forma personalizada y se fabriquen de forma aditiva, aprovechando todo el potencial de estas tecnologías, es aún un sueño.

Existen ciertos conceptos de dispositivos médicos “inteligentes”, fabricados de forma aditiva y que aprovechan las posibilidades de la denominada “impresión 4D”, para conseguir una deseable respuesta dinámica. Pero la gran mayoría de dichos conceptos se basan en el empleo de tecnologías aditivas de fotopolimerización, de deposición de filamentos termoplásticos fundidos o en la bioimpresión de hidrogeles. Por tanto, no resultan soluciones adecuadas, ni desde el punto de vista biomecánico, por la limitada capacidad de carga de muchos de los polímeros o hidrogeles utilizados; ni biológico, por la toxicidad de acrilatos y epoxis empleados en las tecnologías de fotopolimerización aditiva. En la actualidad, los implantes inteligentes más relevantes se siguen fabricando aleaciones de la familia del nitinol (Ni-Ti en distintas proporciones y con diferentes microaleantes) que destacan por sus propiedades de memoria de forma y superelasticidad. Sin embargo, los procesos de síntesis, fabricación y procesado son costosos y no permiten la personalización de los dispositivos, por lo que las aplicaciones siguen en esencia limitadas a los tradicionales “stents” vasculares y a ciertos útiles quirúrgicos, como los catéteres activos.

Nuestra hipótesis de partida es que, a través de una investigación sistemática y multidisciplinar, será posible fabricar de forma aditiva, combinando metamateriales, aleaciones con memoria y gradientes de composición, lo que reformulará el concepto de impresión 4D y posibilitará el desarrollo de una nueva generación de implantes personalizados e inteligentes, con capacidades metamórficas muy superiores a las actualmente disponibles.

Objetivos del proyecto

            El proyecto iMPLANTS-CM presenta los siguientes objetivos principales:

• OBJ.1. Investigar el ámbito de los metamateriales biomecánicos, idear y diseñar una colección singular de retículas o celdas unitarias, a modo de bloques constructivos, como posibilitadoras de nuevos principios de cambio de forma en impresión 4D.
• OBJ.2. Desarrollar la fabricación aditiva de aleaciones con memoria de forma y gradientes funcionales e investigar su procesamiento guiado por modelos computacionales multi(físicos-químicos) y multiescala, para obtener estructuras con múltiples zonas activas.
• OBJ.3. Integrar sinérgicamente los diseños de metamateriales y las aleaciones con propiedades de memoria de forma y superelasticidad para obtener piezas metálicas biocompatibles únicas capaces de experimentar múltiples metamorfosis controladas.
• OBJ.4. Aplicar las investigaciones y desarrollos citados a la obtención de biometamateriales o bioestructuras activas en materiales de altas prestaciones y con capacidades metamórficas, como fundamento para futuras aplicaciones médicas.
• OBJ.5. Desarrollar y validar una metodología para el diseño personalizado de implantes inteligentes y su producción personalizada en un único paso, como alternativa a los procesos actuales de fabricación de implantes de nitinol y otras aleaciones.
• OBJ.6. Concebir, diseñar y validar, mediante prototipos funcionales y experimentos in vitro, una nueva generación de implantes inteligentes basados en los materiales, geometrías y procesos investigados.
• OBJ.7. Establecer una alianza a largo plazo entre la Universidad Politécnica de Madrid y el Instituto IMDEA Materiales, en el ámbito de la fabricación aditiva biomédica, liderada por dos investigadores jóvenes con proyección destacable y con experiencias y conocimientos complementarios.