La impresión 3D se usa desde hace tiempo en los hospitales de España, creando implantes o fabricando estructuras anatómicas. Tanto para operaciones quirúrgicas como para reparación de maquinaría, la impresión 3D requiere producir la pieza antes y después colocarla mediante intervenciones complejas. Esto podría cambiar con el uso de ondas ultrasónicas que podrían formar el implante dentro del cuerpo, sin dolor ni cicatrices.
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Investigadores de la Universidad Concordia de Canadá trabajan en un sistema para 'imprimir' piezas usando ondas de ultrasonido como las de las ecografías. A través de paredes metálicas o piel y músculo, las ondas actúan para transformar un material líquido en sólido dentro de una cavidad, evitando tener que realizar operaciones invasivas.
"Las frecuencias ultrasónicas ya se están utilizando en procedimientos destructivos como la ablación con láser de tejidos y tumores. Queríamos usarlos para crear algo", dice Muthukumaran Packirisamy, coautor del artículo publicado en Nature Communications y presidente de investigación en la Universidad de Concordia en el Departamento de Ingeniería Mecánica, Industrial y Aeroespacial.
A través de la piel
La mayoría de procesos de impresión 3D actuales se basan en el uso de luz o calor para manipular los polímeros y darles forma. Esta técnica implica que un implante debe formarse antes de su colocación en el cuerpo del paciente, obligando a los médicos a realizar unas cirugías de mayor riesgo.
Como alternativa, el campo de la medicina se está fijando en una nueva metodología por ultrasonidos conocida como impresión directa de sonido o DSP, una tercera opción que facilita dar formas a los polímeros a través de moldes o dentro de los músculos y la piel.
Implantes 3D formados por ultrasonidos
Las ondas de ultrasonido provocan una presión fluctuante dentro de las pequeñas burbujas del polímero líquido, lo que se traduce en unas reacciones químicas que sirven para transformar la resina líquida en sólido o semisólido, dependiendo de la necesidad de cada implante.
"Descubrimos que si usamos cierto tipo de ultrasonido con cierta frecuencia y potencia, podemos crear regiones químicamente reactivas muy locales y muy enfocadas", dice Mohsen Habibi, investigador asociado en el Laboratorio de Microsistemas Ópticos-Bio de Concordia y autor principal del artículo.
Para solidificar ese material dentro del molde, en este caso dentro del cuerpo, también se utiliza la técnica por calor alcanzando temperaturas altas, pero sin afectar ni provocar dolor en los tejidos biológicos colindantes.
Las reacciones químicas que se producen en las burbujas del polímero gracias a las ondas de ultrasonidos son lo suficientemente intensas para que la temperatura dentro de la cavidad se dispare hasta alrededor de 15.000 kelvin (14.700 ºC) y la presión supere los 1.000 bar (la presión en la superficie terrestre a nivel del mar es de alrededor de un bar).
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Sin dolor
Sufrir esas temperaturas dentro del cuerpo no suena muy tranquilizador para los futuros pacientes, pero los investigadores dejan claro que las reacciones duran varios picosegundos - la billonésima parte de un segundo- y no llegan a afectar a la zona exterior del material que se está moldeando.
Fuera de la fase teórica, el equipo de investigación puso a prueba esta técnica enviando las ondas de ultrasonido a través de 1,3 pulgadas de piel, músculo y tejido graso de cerdo. Utilizaron un polímero denominado polidimetilsiloxano (PDMS) y un transductor para generar un campo ultrasónico.
Implantes 3D formados con ultrasonidos
La pieza va tomando forma píxel a píxel cuando el transductor se va moviendo siguiendo una ruta predeterminada. El resultado sería más personalizable, controlado con la frecuencia de las ondas y la viscosidad del material. Para comprobar su eficacia, los científicos imprimieron varias hojas de arce, uno de los símbolos nacionales de Canadá.
Para reparar aviones
La impresión 3D basada en sonido no solo se enfoca en tratamientos médicos. Mencionan los investigadores que esta tecnología ya se usa ampliamente en la industria de microfluidos, donde los fabricantes requieren entornos controlados (salas limpias) y técnicas litográficas sofisticadas para crear dispositivos médicos y biosensores.
Piezas 3D creadas por ultrasonidos
Esta técnica ha demostrado ser eficaz en otros entornos más robustos, pero igual de delicados. Un ejemplo serían las reparaciones mecánicas, como el mantenimiento de aeronaves. Para llegar a partes complejas de un avión, explican desde la universidad, este sistema puede atravesar caparazones metálicos como los del fuselaje de un avión "que serían inaccesibles para las técnicas de impresión que dependen de reacciones fotoactivadas".
Incluso podrían manipular otros materiales a parte de los polímeros, como la cerámica. "A continuación, vamos a probar compuestos de polímero y metal y, finalmente, queremos llegar a imprimir metal con este método" dicen en el comunicado. Es lo que ya ha conseguido Airbus con Metal3D, la impresora que utilizará la NASA para construir y ensamblar satélites en el espacio.