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iMPLANTS-CM

“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.

Prototipos conceptuales de estructuras valvulares obtenidos mediante tecnología aditiva.

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.
Esquema del proyecto iMPLANTS-CM: Situación científico-tecnológica actual, sinergias entre entidades solicitantes, avances y transformaciones fruto del proyecto.

Premio a los Grupos de Innovación Educativa

Andrés Díaz Lantada, profesor de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, coordina este grupo que cuenta con más de doce años de trayectoria.

28.01.2020

Formado por un equipo de PDI y PAS de la ETSI Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid, el Grupo de Innovación Educativa para la Docencia Innovadora de Máquinas (GIE-DIM) trabaja de forma continuada y sistemática por la promoción de un aprendizaje activo de los alumnos y por la implantación del Espacio Europeo de Educación Superior conforme a la verdadera esencia de la Declaración de Bolonia.

Sus integrantes han perseguido hacer a los estudiantes verdaderos protagonistas de su aprendizaje mediante experiencias relacionadas con el desarrollo completo de nuevas máquinas, mecanismos, dispositivos y productos en múltiples áreas de la Ingeniería.

La labor del GIE-DIM se ha articulado a través de más de 20 proyectos de innovación educativa, uno de ellos financiado por la UE en el marco de “Horizon 2020”. Dichos proyectos han afectado a unas 15 asignaturas (10 de ellas de nueva creación) y, en cada curso académico, a más de 300 alumnos. Han permitido que los alumnos hayan diseñado más de 500 dispositivos o “ingenios”, de los cuales más de 200 se han llegado a fabricar y probar con éxito, algunos contribuyendo a la primera wikipedia universal de dispositivos médicos (UBORA), que el GIE-DIM ha ayudado a implementar.

Las actividades del GIE-DIM han dado lugar también a más de 50 publicaciones, 20 de ellas en revistas internacionales indexadas en el “Journal Citation Reports”, y se han editado 7 números especiales para la “International Journal of Engineering Education” centrados en aprendizaje basado en el juego, en la promoción de competencias genéricas, en la colaboración universidad-empresa, en la mejora de la internacionalización de nuestros estudiantes, en la formación del profesorado y en el aprendizaje basado en proyectos y servicios colaborativos.

El equipo ha publicado 6 libros que incluyen resultados de investigaciones y que se emplean en la docencia de las distintas asignaturas año a año. Se ha pretendido también apoyar a la ETSI Industriales y a la UPM a la hora de implementar renovaciones metodológicas, de sistematizar enfoques de enseñanza-aprendizaje basados en objetivos formativos y competencias y de incorporarse a o acreditarse por organismos internacionales centrados en la mejora de la enseñanza de la ingeniería (por ejemplo, «International CDIO Initiative«, Iniciativa Industriales INGENIA, ABET, EURACE, entre otras), contribuyendo a ello con éxito.

Resortes de fibra de carbono para mejora de conjunto de rodadura en Talgo

Distintas administraciones públicas colaboran con la DIM en la financiación de algunos de sus proyectos de I+D+i más representativos.

Durante la anualidad 2015, el Ministerio de Economía y Competitividad concedió una ayuda al consorcio formado por Talgo y la Universidad Politécnica de Madrid bajo el programa “Retos-Colaboración”. Dicho programa tiene como objetivo principal el de “Promover el desarrollo tecnológico, la innovación y una investigación de calidad”.

El citado proyecto se denomina “Nuevo conjunto de rodadura para la mejora de la eficacia energética y la seguridad en trenes de pasajeros”, y está enfocado al desarrollo de dos soluciones centradas en el sistema de rodadura, que permitan incrementar la seguridad y confort del viajero, a la par que reducir el consumo energético de los trenes Talgo.

espa-euro

Este proyecto ha sido objeto de ayuda con cargo al presupuesto de gastos del Ministerio de Economía y Competitividad y del Fondo Europeo de Desarrollo Regional.

INGENIA – DISEÑO EN BIOINGENIERÍA

04-Diseno en Bioingenieria

PROFESORES: Andrés Díaz, Antonio Ros y Javier Jiménez

 

ASIGNATURA INGENIA: “DISEÑO EN BIOINGENIERÍA”

¿Quieres participar en el desarrollo de un biodispositivo para un problema médico real?

¿Quieres adquirir los fundamentos de una disciplina de ingeniería de futuro?

¿Te gustaría aplicar tus conocimientos a problemas socialmente importantes?

 

En “Diseño en Bioingeniería” te ayudaremos a conseguirlo

La Bioingeniería es una de las ramas más apasionantes de la Ingeniería, en la que se aplican principios de múltiples disciplinas ingenieriles al desarrollo de soluciones diagnósticas o terapéuticas avanzadas para problemas médicos de todo tipo.

En la actualidad se trata de la especialidad más demandada de todas las ingenierías en Estados Unidos y cuenta con importantes partidas de investigación en el programa Horizon 2020 de la Unión Europea. La formación multidisciplinar de los ingenieros industriales, con complementos adecuados, resulta muy valorada para colaborar en todo tipo de proyectos de bioingeniería, especialmente en las actividades de mayor responsabilidad.

Con la asignatura “Ingenia: Diseño en Bioingeniería” pretendemos que los futuros ingenieros industriales podáis vivir, trabajando en equipo, el proceso completo de desarrollo de un dispositivo médico (implante, ayuda ergonómica, dispositivos quirúrgicos…) desde su concepción y diseño, hasta su fabricación y ensayo. Podrás también adquirir los conocimientos y destrezas adecuadas para poder trabajar como “bioingeniero”.

04.Ficha Asignatura INGENIA _Bioingenia .pdf

INGENIA – PROYECTO DE MÁQUINAS

05-Proyecto de Máquinas

PROFESORES: Juan Manuel Muñoz Guijosa

Para ser competitivo en el mercado laboral actual, donde la globalización ha ocasionado un aumento espectacular de la oferta y de los requisitos de los puestos de trabajo, ya no basta con disponer de amplios conocimientos técnicos. Es necesario contar con un amplio conjunto de habilidades relacionadas con la resolución de problemas, la comunicación, las relaciones públicas, o el conocimiento de temas no directamente relacionados con el día a día. Las asignaturas “Ingenia” representan una oportunidad única para adquirir muchas de estas competencias “transversales”.

Con el Ingenia “Proyecto de Máquinas”, además de aplicar gran parte de los conocimientos técnicos que has adquirido, te proponemos adquirir dichas competencias viviendo en primera persona el proceso de desarrollo de un producto elegido por ti, incluyendo su planificación, diseño conceptual, diseño de detalle, fabricación y ensayo, trabajando en equipo, presentando resultados en público y utilizando las herramientas de desarrollo, diseño, cálculo y fabricación más avanzadas, disponibles en la División de Ingeniería de Máquinas de la Escuela.

Además de por tus compañeros de asignatura, estarás en todo momento acompañado por los profesores de la División de Ingeniería de Máquinas de la Escuela, con amplia experiencia en desarrollo de productos para grandes, medianas y pequeñas empresas.

El proceso de desarrollo que utilizaremos te permitirá vivir una experiencia muy similar a la que desarrollarás en tu actividad profesional, independientemente del sector en el que trabajes, que aumentará enormemente tu empleabilidad, y que esperamos recordarás positivamente durante mucho tiempo.

05.INGENIA (Proyecto de Maquinas) .pdf

Herramientas para valorar la utilización de aceites fuel-economy y de superficies texturizadas

La División de Ingeniería de Máquinas participa en un proyecto financiado en la convocatoria de Proyectos de I+D+i de 2013 – Orientada a los Retos de la Sociedad, para la formulación de aceites fuel-economy utilizando líquidos iónicos como aditivo, que desarrollan en cooperación la Universidad Politécnica de Madrid y la Universidad de Oviedo.

Los principales objetivos de este proyecto son la reducción de la friccción y el desgaste en motores y transmisiones de turismos y camiones para mejorar la eficiencia energética, reducir el consumo de combustible y las emisiones de CO2, y también ahorrar materias primas.

Esta reducción de la fricción y el desgaste se pretende lograr mediante la aditivación de aceites lubricantes fuel-economy con líquidos iónicos. También se desarrollan nuevos modelos de lubricación para mejorar la comprensión de la fricción y el desgaste bajo diferentes regímenes de lubricación y de la influencia del texturizado superficial en éstos.

La Division de Ingeniería de Máquinas lidera el subproyecto «Herramientas para valorar la utilización de aceites fuel-economy y de superficies texturizadas», con Referencia DPI2013-48348-C2-2-R y una duración de 3 años (2014-2016).