• Desde el diseño hasta la verificación final, el proyecto METALIA desarrolla herramientas innovadoras que permitirán abordar los desafíos existentes en el diseño, fabricación, posprocesado, funcionamiento y caracterización de nuevos dispositivos médicos personalizados con memoria de forma.

En la vanguardia de la innovación médica, los implantes han experimentado una revolución gracias a la inteligencia artificial (IA). En la actualidad, estos dispositivos se diseñan y optimizan utilizando algoritmos avanzados.

Sin embargo, las técnicas de fabricación convencionales no permiten la personalización al paciente.

Por eso, el equipo de METALIA se enfrenta al reto de desarrollar nuevas rutas de fabricación aditiva, más comúnmente conocida como impresión 3D, de implantes basados en aleaciones con memoria de forma.

El Instituto IMDEA Materiales es uno de los socios de este ambicioso proyecto, coordinado por el Centro Avanzado de Tecnologías Aeroespaciales (CATEC) y el fabricante de componentes y sistemas aeronáuticas, Egile.

El Nitinol: una aleación de referencia para aplicaciones biomédicas

El Nitinol, compuesto de níquel y titanio, es una de las aleaciones con memoria de forma más extendidas en aplicaciones biomédicas, sobre todo para el desarrollo de implantes autoexpandibles en cirugías mínimamente invasivas. Eso sí, siempre empleando rutas de fabricación convencionales.

Ahí es donde entran las nuevas técnicas de la impresión 3D, que nos permiten superar los limites existentes en la fabricación de estos dispositivos. Para ser precisos, la fabricación aditiva abrirá la puerta al desarrollo de implantes personalizados a cada paciente, lo que redundará en tratamientos menos agresivos y con mejor prognosis.

Dentro del marco del proyecto METALIA, IMDEA Materiales estudiará diferentes métodos para optimizar los procesos de impresión 3D, asegurando que la concentración de cada elemento sea la adecuada en el dispositivo y que mantenga sus propiedades.  

Para que sean funcionales, estos dispositivos médicos deben permitir la proliferación de células a su alrededor. Sin embargo, si la rugosidad de la pieza es muy alta, eso tiene efectos en la citotoxicidad del material. Para ello, varios socios del proyecto, que inclyuen Leitat Technological Center, la Universidad Politécnica de Madrid, Grupo Sevilla Control (GSC), BitMetrics, DLyte y Cubicoff, se centrarán en el desarrollo de tratamientos superficiales optimizados que garanticen una buena integración del implante.

También se desarrollarán herramientas para el “diseño y cálculo de los componentes metálicos a fabricar, control de calidad y predicción de fallos durante la fabricación aditiva” puntualiza la Dra. Irene Heras, investigadora principal en el Centro Avanzado de Tecnologías Aeroespaciales (CATEC).

Además de su enfoque en optimizar los procesos de impresión 3D, IMDEA Materiales también orientará su investigación en la impresión de aleaciones con memoria de forma (SMA). Por ello se ha elegido el Nitinol.

Esta aleación posee propiedades de autorrestauración y memoria de forma, puede deformarse a una temperatura baja, mantener su forma deformada cuando se retira la fuerza externa y, al calentarse por encima de su establecida temperatura de transformación, recuperar su forma original.

“La impresión 4D es algo que, una vez impreso un material, puede cambiar de forma. Con esta técnica, se pueden desarrollar dispositivos médicos que se ajusten de manera óptima a la forma y tamaño únicos de una persona” aclara el Dr. Federico Sket, uno de los investigadores principales de IMDEA Materiales en el proyecto, junto con el Dr. Jon Molina.

Hacer que la caracterización de los materiales impresos en 3D sea más rápida y menos costosa

Una de las herramientas más útiles para caracterizar materiales fabricados con geometrías complejas en 3D, es la tomografía de rayos X.

Con esta técnica, se obtiene un volumen digital del objecto. Del cual, utilizando técnicas de procesamiento de imagen, se puede extraer información muy relevante del proceso de fabricación o de posprocesos aplicados al material.

Sin embargo, esta técnica es costosa en tiempo y recursos, ya que para obtener un volumen digital de suficiente calidad se necesitan obtener un conjunto de radiografías desde varios ángulos.

En general, cuantas más radiografías y mayor tiempo de exposición de cada radiografía, mejor será la calidad del volumen digital. Actualmente, la caracterización de los implantes implica realizar alrededor de 1,500 radiografías.

Las técnicas de IA pueden ayudar a reducir esta carga (ya sea o, reduciendo el tiempo de adquisición de las radiografías, o limitando el número de proyecciones o radiografías) manteniendo la calidad de la imagen.

Para ello, los investigadores de IMDEA Materiales entrenan modelos de inteligencia artificial utilizando miles de radiografías experimentales, tanto dentro del proyecto METALIA como en otros estudios llevados a cabo en el instituto.

En la fabricación de los dispositivos óptimos y personalizados se precisa “extraer información cualitativa, ¿qué es lo que hay en el interior del material?, y también cuantitativa,” explica el Dr. Sket. “Para lo cual, se necesita extraer esa información de manera automática”.

Hay dos alternativas para desarrollar estas herramientas de IA, o eliminar el ‘ruido’ de imagen en las tomografías, o que, a pesar de ese ‘ruido’, se pueda analizar la pieza con precisión. IMDEA Materiales se centrará en la primera, al través del desarrollo de una base de datos.

METALIA: hacia el futuro de la impresión 4D

Si se consigue una herramienta basada en la IA que pueda caracterizar las propiedades con precisión de forma más efectiva en tiempo y recursos, podría contribuir a la implantación de dispositivos fabricados mediante impresión 4D de manera más sostenible.

Además de los retos de caracterización, el proyecto METALIA tiene el objetivo de protocolizar una técnica de fabricación aditiva. Es esencial que la aleación mantenga con exactitud la concentración de cada uno de los elementos, ya que pequeñas variaciones pueden suponer grandes cambios en sus características y propiedades.

“En el proyecto, de cuatro años de duración, participan cuatro organismos de investigación y cinco empresas, favoreciendo un entorno que propicie la generación de resultados científicos hacia niveles avanzados de madurez tecnológica,” comenta la Dra. Heras. “Todo esto gracias a una correcta transferencia entre la investigación científica y el desarrollo tecnológico.”

PLEC2023-010237 (AEI); MIG-20232050 (CDTI)

El proyecto pertenece a la convocatoria del programa “misiones de ciencia e innovación” en el marco de la iniciativa Transmisiones del año 2023, acción que se ejecuta en colaboración entre el CDTI y la Agencia Estatal de Investigación (AEI) por la que se coordina la financiación a agrupaciones de organismos de investigación y de difusión de conocimiento y agrupaciones de empresas que colaboran para el desarrollo conjunto de una actuación coordinada de I+D, que dé respuesta a los desafíos identificados en las prioridades temáticas (Misiones), definidas en la convocatoria. Proyecto financiado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, la Agencia Estatal de Investigación y el Centro para el Desarrollo Tecnológico y la Innovación E.P.E. (CDTI).