“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.

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.

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.

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).

i-DENT: Nuevas tecnologías de diseño, ingeniería y fabricación asistida de implantes dentales personalizados y soluciones quirúrgicas a medida

El proyecto i-DENT está orientado a validar el empleo de nuevos enfoques CAD-CAE-CAM de diseño, ingeniería y fabricación asistidos por computador como apoyo al desarrollo de soluciones en odontología, tanto ligadas a la personalización de implantes, como al desarrollo de asistencias quirúrgicas, como férulas a medida para guiado.

 

Los objetivos fundamentales del proyecto i-DENT son:

 

– Realizar un estudio sobre el potencial de nuevos enfoques CAD-CAE-CAM de diseño, ingeniería y fabricación asistidos por computador en el mundo de la odontología y la cirugía maxillofacial y detectar aportaciones concretas en el campo de la personalización de implantes y de las ayudas quirúrgicas.

 

– Seleccionar varios casos de estudio de, al menos, dos implantes tipo (tornillos y coronas, reconstrucciones dentales, entre otras opciones) y una férula protectora de apoyo a tareas quirúrgicas, y vivir el proceso completo de diseño personalización, evaluación mediante simulaciones basadas en el método de los elementos finitos, considerando tanto las aplicaciones objeto de desarrollo, como las estructuras biológicas de pacientes concretos, y fabricarlas con ayuda de tecnologías de prototipado rápido.

 

– Analizar alternativas para la obtención rápida de prototipos, incluyendo en el estudio procesos como la estereolitografía láser industrial, la colada al vacío en moldes de silicona para obtención de cerámicos, el sinterizado y el empleo de tecnologías de impresión 3D low-cost. Estudiar el posible empleo de impresoras 3D de sobremesa como apoyo en las consultas de odontólogos.

 

– Continuar potenciando nuestra colaboración con la Universidad de Piura, Perú, en concreto con el equipo del Dr. Carlos Ojeda, Director de la Escuela Tecnológica Superior, con quien hemos colaborado a lo largo de la realización de nuestras respectivas tesis doctorales en temas de diseño biomecánico de prótesis de cadera personalizadas y en el marco de un proyecto financiado por CONCYTEC Perú, en el marco del cual el Laboratorio de Desarrollo de Productos de la UPM ha participado con la realización de diseños y prototipos de válvulas para glaucoma y otros dispositivos.

 

– Ayudar en lo posible al éxito del proyecto «Investigación y desarrollo para una propuesta de implantes dentales, a través de un diseño biomecánico simplificado, con mejoras en el proceso de oseointegración y la investigación de la adaptabilidad del tratamiento con el uso de células madre», recientemente concedido al equipo del Dr. Carlos Ojeda por parte de FINCYT, Fondos para la Innovación, Ciencia y Tecnología, Perú, que será el proyecto matriz de la presente propuesta.