Un equipo internacional de investigación ha demostrado un nuevo enfoque para implantes con cambio de forma impresos en 4D que abre la puerta a una atención sanitaria cada vez más personalizada.

Los resultados, publicados en la revista Additive Manufacturing, muestran cómo la degradación de los materiales puede utilizarse para desencadenar un cambio de forma controlado en materiales implantados.

En concreto, los investigadores estudiaron el comportamiento mecánico, biológico y de degradación del alcohol polivinílico (PVA) y del tereftalato de polietileno modificado con glicol (PETG) para diseñar actuadores multimaterial de impresión 4D, cuyo movimiento se activaba con el paso del tiempo mediante la exposición al agua.

Demostraron que la degradación gradual del PVA puede utilizarse como un estímulo fiable y predecible para iniciar el cambio de forma, mientras que el PETG actúa como componente estructural capaz de almacenar y liberar energía elástica.

«Esta estrategia introduce la degradación como un mecanismo potente, aunque aún poco explorado, para activar la actuación en sistemas impresos en 4D», explica el Dr. William Solórzano, uno de los autores de la publicación.

Los investigadores emplearon la técnica de Fabricación por Filamento Fundido (FFF) para combinar PVA y PETG, creando dispositivos multimaterial en los que el PVA actúa como una restricción mecánica temporal. A medida que se degrada con el tiempo, su integridad mecánica se reduce, permitiendo la liberación de la energía interna almacenada en el PETG.

«Esta liberación controlada de energía elástica impulsa una transformación de forma programada a lo largo del tiempo», señala el Dr. Solórzano.

Este trabajo representa un enfoque novedoso para inducir una respuesta de cambio de forma lento en materiales impresos en 4D, que normalmente dependen de estímulos de activación rápidos como la temperatura, la luz, los campos eléctricos o la humedad.

Su capacidad para realizar transformaciones geométricas controladas los hace especialmente prometedores para aplicaciones como dispositivos médicos implantables, andamios para ingeniería de tejidos y sistemas de liberación de fármacos, donde una activación retardada o gradual puede ser crítica.

A pesar de su importancia para usos a largo plazo y biomédicos, la actuación inducida por degradación sigue estando en gran medida inexplorada en este campo. El estudio de la degradación como mecanismo de activación en dispositivos impresos en 4D abre posibilidades en diversos ámbitos en los que una respuesta definida a lo largo de periodos prolongados puede resultar ventajosa, como en aplicaciones médicas donde los procesos de curación y crecimiento requieren tiempos suficientes.

El estudio es obra del Prof. Andrés Díaz Lantada y el Dr. Solórzano de la Universidad Politécnica de Madrid, los Drs. Jennifer Patterson, Pedro J. Díaz Payno y Vanesa Martínez del Instituto IMDEA Materiales, y del Dr. Alexander Kopp del fabricante alemán de tecnología médica Meotec, en el marco del proyecto europeo BIOMET4D.

El trabajo pone de relieve cómo el PVA pasa de un comportamiento frágil a otro más dúctil a medida que se degrada en agua, acompañado de reducciones en la rigidez, la resistencia y el peso molecular.

Este principio se ensayó además en un amortiguador 4D, demostrando la viabilidad de respuestas mecánicas activadas por degradación.

Más allá del rendimiento mecánico, el estudio también evaluó la respuesta biológica de ambos materiales. Las pruebas de citotoxicidad confirmaron que el PVA se disuelve rápidamente sin efectos perjudiciales, mientras que el PETG presenta una alta citocompatibilidad, lo que refuerza la idoneidad de ambos polímeros para su uso biomédico.

«Al combinar la flexibilidad y la capacidad de almacenamiento de energía del PETG con la degradabilidad programable del PVA, el estudio presenta una estrategia rentable, escalable y versátil para el prototipado de actuadores 4D avanzados», afirma la coautora Dra. Patterson, coordinadora de BIOMET4D.

«Ejemplos de aplicación práctica de esta tecnología se encuentran en el tratamiento de la craneosinostosis, así como en terapias de expansión cutánea, los dos casos de uso del proyecto BIOMET4D».

«Estos actuadores permiten transformaciones dependientes del tiempo sin necesidad de estímulos externos continuos ni de sistemas de activación complejos, un enfoque que también podría ampliarse a procesos y materiales de fabricación aditiva de alto rendimiento», concluye.

BIOMET4D ha recibido financiación del programa EIC Pathfinder en virtud del acuerdo de subvención n.º 101047008. No obstante, los puntos de vista y opiniones expresados son exclusivamente los de los autores y no reflejan necesariamente los de la Unión Europea ni los del Consejo Europeo de Innovación ni de la Agencia Ejecutiva del EIC y las PYMES (EISMEA). Ni la Unión Europea ni la EISMEA pueden considerarse responsables de ellos.