• Investigadores de IMDEA Materiales y la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) crean implantes capaces de adaptarse a la anatomía de cada paciente.
• La combinación de impresión 3D y metamateriales permite obtener estructuras más flexibles que los dispositivos impresos convencionales.

Un equipo científico internacional, liderado por el Instituto IMDEA Materiales y la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), ha desarrollado un método pionero para fabricar dispositivos médicos cardiovasculares personalizados mediante impresión 3D con nitinol, una aleación superelástica.

Este avance, publicado en la revista npj Metamaterials de Nature Paper Journals, contó también con la participación del Massachusetts Institute of Technology (MIT) y la Universidad de Galway, y permite diseñar y producir en un solo paso estructuras trenzadas de alta flexibilidad.

La tecnología desarrollada ya ha sido patentada y su potencial innovador ha sido reconocido con el Premio Nacional James Dyson, uno de los galardones internacionales más prestigiosos para jóvenes ingenieros y diseñadores.

Estas estructuras imitan los vasos sanguíneos y pueden comprimirse sin romperse para su inserción mediante catéter.

La investigación resuelve uno de los principales problemas con el diseño y fabricación de dispositivos transcatéter mínimamente invasivos (MITDs por sus siglas en inglés): la dificultad para desarrollar implantes con geometrías tridimensionales complejas, adaptados a las necesidades específicas de cada paciente y capaces de comprimirse para ser implantados a través de un catéter.

“El impacto clínico de los MITDs basados en nitinol ha sido transformador en las intervenciones cardiovasculares,” explicó el Dr. Carlos Aguilar Vega, uno de los autores de la publicación.

“Sin embargo, a pesar de su amplia adopción clínica, los métodos de fabricación actuales imponen limitaciones geométricas fundamentales que restringen su optimización y personalización.”

“Aunque los recientes avances en técnicas basadas en la metalurgia de polvos, como el sinterizado por plasma de chispa, han ampliado las posibilidades de fabricación de estos dispositivos, sigue siendo un reto desarrollar implantes que combinen geometrías complejas, flexibilidad mecánica y adaptación anatómica específica para cada paciente”, añadió.

La mayoría de los dispositivos médicos metálicos fabricados mediante impresión 3D se basan en estructuras reticulares, formadas por redes de elementos interconectados dispuestos en patrones repetitivos. Aunque estas arquitecturas son relativamente sencillas de diseñar y fabricar, su comportamiento mecánico depende principalmente de la flexión de elementos rígidos.

Esto supone una limitación importante en aplicaciones transcatéter, donde los implantes deben comprimirse para introducirse en catéteres de pequeño diámetro, desplazarse a través de los vasos sanguíneos y recuperar posteriormente su forma original una vez desplegados, todo ello sin sufrir deformaciones permanentes ni fracturas.

Los investigadores comprobaron que las estructuras reticulares convencionales no son capaces de soportar las elevadas deformaciones que exigen este tipo de procedimientos. A medida que se comprimen, se vuelven excesivamente rígidas, ejercen altas fuerzas sobre las paredes arteriales y presentan riesgo de fractura a partir de deformaciones cercanas al 25 %.

Las arquitecturas trenzadas, en cambio, se comportan de manera muy diferente. En lugar de deformarse mediante la flexión de elementos rígidos, acomodan la deformación gracias al movimiento y la reorientación de filamentos entrelazados, de forma similar a un stent trenzado convencional o a una malla textil.

Para lograr el acabado biomédico requerido, el equipo aplicó un tratamiento combinado de grabado ataque químico y el electropulido.

Los ensayos mostraron que este postprocesado redujo el espesor de las fibras en un 47,7 % y su área transversal en un 71,1 % respecto a las piezas recién impresas. Gracias a ello, los nuevos stents trenzados fueron capaces de soportar compresiones de hasta el 50 % de su diámetro original, manteniendo una recuperación elástica superior al 90 %.

Además, la fuerza exterior crónica (COF, por sus siglas en inglés) fue hasta casi cinco veces menor que la observada en las estructuras reticulares convencionales, reduciendo significativamente el riesgo de lesiones vasculares y trombosis.

“Las estructuras reticulares fabricadas mediante técnicas convencionales de fabricación aditiva no son capaces de alcanzar el elevado grado de deformación reversible requerido para las aplicaciones transcatéter”, afirmó el Dr. Carlos Aguilar Vega.

“Las arquitecturas trenzadas, sin embargo, pueden soportar fácilmente las grandes deformaciones necesarias manteniendo su integridad estructural y su capacidad de recuperación elástica.”

El equipo de investigación validó con éxito varios prototipos desde el punto de vista mecánico, utilizando indicadores ampliamente aceptados y realizando un único ciclo de compresión y expansión que reproduce la inserción real del dispositivo en un catéter y su posterior despliegue.

Aunque estos resultados son prometedores, los próximos pasos contemplan ensayos de biocompatibilidad in vitro y modelos animales antes de poder iniciar las fases de estudio clínico con pacientes.

Además, los investigadores señalan que una de las próximas fronteras del campo será el desarrollo de dispositivos neurovasculares capaces de abordar patologías en zonas remotas y de difícil acceso del cerebro.

Para ello será necesario avanzar en la miniaturización de estructuras complejas de NiTi, explorando tecnologías como la impresión 3D de ultra alta precisión mediante fotopolimerización de dos fotones empleando suspensiones metálicas, así como su funcionalización magnética para permitir la navegación remota mediante campos magnéticos.

Estas son algunas de las líneas de investigación en las que IMDEA Materiales prevé trabajar durante los próximos meses.