Una impresora 4D para materiales inteligentes con propiedades magneto y electromecánicas

Investigadores de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) han creado software y hardware para una impresora 4D con aplicaciones en el campo biomédico. Además de la impresión 3D, esta máquina permite controlar funciones adicionales: programar la respuesta del material para que el cambio de forma ocurra bajo un campo magnético externo, o se desarrollen cambios en sus propiedades eléctricas bajo deformación mecánica. Esto abre la puerta al diseño de robots blandos o sensores y sustratos inteligentes que transmiten señales a diferentes sistemas celulares, entre otras aplicaciones.

Esta línea de investigación se centra en el desarrollo de estructuras multifuncionales blandas, que consisten en materiales con propiedades mecánicas que imitan tejidos biológicos como el cerebro o la piel. Además, son capaces de cambiar su forma o propiedades cuando se activan mediante estímulos externos, como campos magnéticos o corrientes eléctricas.

Hasta ahora, este equipo de investigadores había realizado varios avances en el diseño y fabricación de estas estructuras, pero eran muy limitados en cuanto a diseño de formas y programación de respuestas inteligentes. El trabajo presentado en su último estudio, publicado en la revista Tecnologías de materiales avanzadosles ha permitido abrir nuevas posibilidades al desarrollar una novedosa metodología de impresión 4D.

«Esta tecnología nos permite no solo controlar la forma en que imprimimos estructuras tridimensionales, sino también darles la capacidad de cambiar sus propiedades o geometría en respuesta a la acción de campos magnéticos externos, o la capacidad de modificar sus propiedades eléctricas cuando se deforman”, explica uno de los investigadores, Daniel García González, responsable del proyecto ERC 4D-BIOMAP (GA 947723) y profesor asociado del Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras de la UC3M.

Este tipo de impresión es compleja ya que el material a extruir pasa de líquido a sólido durante el proceso de impresión. Por lo tanto, es necesario comprender la dinámica del material para adaptar el proceso de fabricación y obtener un material lo suficientemente líquido cuando fluye a través de la boquilla de la impresora pero, al mismo tiempo, lo suficientemente sólido para mantener una forma específica.

Para ello, han desarrollado una metodología interdisciplinar que combina técnicas teóricas y experimentales que les permiten construir desde cero el dispositivo de impresión, tanto la parte física del dispositivo (el hardware) como los programas informáticos que permiten controlarlo (el software). ).

Un material autorreparable

Los investigadores también han desarrollado un nuevo concepto de material que es capaz de curarse a sí mismo de forma autónoma sin necesidad de una acción externa, según otra publicación reciente de la revista. Compuestos Parte B: Ingeniería. “Este material consiste en una matriz polimérica blanda incrustada con partículas magnéticas con un campo remanente. A efectos prácticos, es como si tuviéramos pequeños imanes repartidos en el material, de forma que, si se rompe, cuando las partes resultantes se vuelvan a juntar , se unirán físicamente recuperando su integridad estructural”, dice Daniel García González.

Gracias a estos avances, que han dado lugar a varias patentes registradas, estos científicos han podido imprimir tres tipos de materiales funcionales: unos que cambian de forma y propiedades en respuesta a campos magnéticos externos; otros con capacidad de autocuración; y otros cuyas propiedades eléctricas (conductividad) varían según su forma o deformación. Con el primer tipo de material han desarrollado sustratos inteligentes para transmitir fuerzas y señales a los sistemas celulares, de forma que puedan influir en procesos biológicos como la proliferación o migración celular. Estos materiales también se pueden utilizar para diseñar robots blandos cuyo rendimiento se pueda controlar mediante campos magnéticos.

La combinación de materiales con capacidad de autorreparación y cuyas propiedades de conducción eléctrica varían con la deformación abre enormes posibilidades en el desarrollo de sensores. “Podemos pensar en sensores que, adheridos a nuestro cuerpo, recopilen información sobre nuestro movimiento a partir de variaciones en la conductividad eléctrica. Además, la capacidad de autorreparación del material permite diseñar sensores con señales binarias. Por ejemplo, si hemos tenido un lesión de rodilla y necesidad de limitar al máximo la rotación, podemos incorporar una pequeña banda de este material sobre nuestra articulación”, comenta Daniel García González.

“De esta forma, cuando superemos esta rotación máxima, el material se romperá mostrando un cambio brusco en sus propiedades eléctricas, dando así una señal de alerta. Sin embargo, al devolver la rodilla a un estado relajado, la capacidad de cicatrización del material se traducirá en la recuperación de la señal eléctrica, de esta manera podemos monitorear nuestros movimientos y advertir de condiciones de riesgo después de la cirugía o durante los períodos de rehabilitación”.