Un equipo de investigadores de la facultad de Ingeniería Mecánica, Marítima y de Materiales (3mE) de la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos) ha investigado la forma de conectar dos materiales de distinta dureza, dando respuesta a la diferente concentración de tensión y a su durabilidad. Lo han conseguido a través de una imitación de las conexiones hueso-tendón realizada por una impresora 3D, un modelo que podría tener muchas aplicaciones médicas.
Las interfaces blandas y duras creadas por la naturaleza demuestran un rendimiento mecánico notable y rara vez provocan fallas. Sin embargo, los materiales de distinta dureza diseñados por el hombre sí generan problemas. El Dr. Mauricio Cruz Saldívar, autor principal del proyecto, Amir Zadpoor, profesor de Biomateriales y Biomecánica de Tejidos, Zjenja Doubrovski y Mohammad J. Mirzaali, estos dos últimos profesores asistentes, lo comparan con los cargadores de teléfono actuales presentes en cualquier hogar: con el paso del tiempo se rompen en la junta entre el cable y el conector duro.
INSPIRACIÓN EN LA NATURALEZA
Los investigadores han imitado las estrategias de la naturaleza para el diseño de sus interfaces duras y eficientes. El equipo ha creado diseños geométricos basados en superficies mínimas triplemente periódicas (Octo, Diamond y Gyroid), añadiendo triples hélices similares al colágeno y otras partículas distribuidas aleatoriamente. Para completar el resultado, han utilizado una combinación de simulaciones computacionales y técnicas experimentales, como pruebas de tracción uniaxial y de corte de cuatro vueltas, para asegurar el correcto rendimiento mecánico de las interfaces.
Para llegar a ese resultado, los expertos estudiaron la relación entre la geometría interna, el tipo de función de transición y la superficie de contacto, así como las características mecánicas de las interfaces blandas-duras y las concentraciones de deformación. “Este enfoque nos proporciona un camino hacia una mejor comprensión de los mecanismos en juego en el diseño de interfaces duras y blandas, con aplicaciones potenciales en ingeniería de tejidos, robótica blanda y materiales arquitectónicos”, han explicado los autores para la revista ‘Nature Communications’.
"Los gradientes funcionales permiten una transición suave de las propiedades del material del hueso al tendón, lo que reduce las tensiones interfaciales"
El ejemplo práctico en el que se han inspirado para abordar el proyecto es el funcionamiento de la entesis del tendón humano(unión de tendón, ligamento, cápsula articular o fascia muscular al hueso): “El tendón blando se conecta al tejido óseo, mucho más rígido, a lo largo de una longitud de transición relativamente corta, empleando una combinación eficiente de características de diseño, como interdigitaciones morfológicas y orientaciones anisotrópicas. Además, los gradientes funcionales permiten una transición suave de las propiedades del material del hueso al tendón, lo que reduce las tensiones interfaciales”.
Los problemas que siempre se han observado en la fabricación y conexión de materiales de distinta dureza han venido dados por la concentración de tensión entre ambos. Esa tensión mecánica llega al punto de conexión y, normalmente, provoca la falla del material más blando. Otra de las observaciones que el equipo de investigadores realizó en la naturaleza fue comprobar que “un material duro no se convierte de repente en un material blando”, sino que se trata de un proceso gradual. Asimismo, estudiaron que la fuerza que un material blando puede tolerar antes de fallar es menor que la de un material duro.
"Con el tiempo, nos gustaría regenerar el hueso y la conexión entre el hueso y el músculo"
Bajo estas premisas realizaron su investigación, basada en diferentes geometrías y una técnica de impresión 3D multimaterial para aumentar el área de contacto entre las interfaces duras y blandas, emulando así el diseño de la naturaleza. Además, han empleado materiales con una mayor resistencia a la amortiguación, frente a otros que pueden resultar más fuertes, con el objetivo de lograr una mayor aplicabilidad.
La técnica desarrollada permite fabricar así un producto completo a la vez, y no como ocurría hasta ahora, cuando un solía requerir de múltiples materiales adhesivos o ensamblados. Asimismo, los autores detallan que la investigación no hubiera sido posible sin las técnicas de fabricación aditiva de múltiples materiales, es decir, la impresión 3D. En este caso, la impresión 3D multimaterial Polyjet se presenta como “muy adecuada” para la imitación de esas interfaces naturales blandas y duras, según los expertos.
FUTURAS APLICACIONES
El diseño optimizado de interfaces de materiales duros y blandos tiene aplicaciones evidentes en dispositivos médicos, robótica blanda y dispositivos flexibles. El equipo de investigadores espera poder “regenerar el hueso y la conexión entre el hueso y el músculo” en el futuro, pero también estudiar las posibilidades de crear interfaces con células vivas que permitan el optimizar determinados procedimientos quirúrgicos, como la conexión de implantes al tejido blando circundante en el cuerpo humano.