Los tejidos biológicos han evolucionado durante milenios para ser perfectamente optimizados para sus funciones específicas. Ejemplo de ello es el cartílago, un tejido flexible y elástico lo suficientemente suave como para amortiguar las articulaciones, pero lo suficientemente fuerte como para resistir la compresión y soportar la carga sustancial de nuestros cuerpos: clave para correr, saltar y nuestro desgaste diario.
Crear reemplazos sintéticos que realmente coincidan con las propiedades y comportamientos de los tejidos biológicos no ha sido fácil. Pero los científicos de la Universidad de Colorado en Denver, dirigidos por el profesor de ingeniería mecánica Chris Yakacki, PhD, son los primeros en imprimir en 3D una estructura reticular compleja y porosa utilizando elastómeros de cristal líquido (LCE) que crean dispositivos que finalmente pueden imitar el cartílago y otros tejidos biológicos.
El equipo de CU Denver, incluido el profesor Kai Yu, PhD, el becario posdoctoral Devesh Mistry, PhD y el estudiante de doctorado Nicholas Traugutt, así como científicos de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur en China, informaron sus hallazgos en la revista Advanced Materials .
REVOLUCIÓN EN LA FABRICACIÓN DE LCE
Yakacki, que trabaja en el Laboratorio de Materiales Inteligentes y Biomecánica (SMAB) de CU Denver, comenzó a trabajar con LCE en 2012. Los materiales blandos y multifuncionales son conocidos por su elasticidad y su extraordinaria capacidad para disipar alta energía. En 2018, Yakacki recibió un premio NSF CAREER para revolucionar la capacidad de fabricación de los LCE y varias rondas de financiación para desarrollarlos como amortiguadores para los cascos de fútbol. Incluso entonces, sabía que sus aplicaciones podrían ir más allá.
Todo el mundo ha oído hablar de cristales líquidos porque los miras en la pantalla de tu teléfono", dice Yakacki. “Y es probable que hayas oído hablar de los polímeros de cristal líquido porque eso es exactamente lo que es Kevlar. Nuestro desafío fue introducirlos en polímeros blandos, como elastómeros, para usarlos como amortiguadores. Ahí es cuando bajas las capas de complejidad ”.
Los LCE son difíciles de manipular. Hasta ahora, la mayoría de los investigadores podían crear objetos grandes con mínimo detalle o alto detalle en estructuras prácticamente microscópicas. Pero al igual que con las pantallas de los teléfonos, los grandes dispositivos con altas resoluciones son el futuro. El proceso químico y de impresión de Yakacki y su equipo redujo la dificultad a casi cero.
El equipo desarrolló una resina LC similar a la miel
Para su estudio, Yakacki y su equipo exploraron un proceso de impresión 3D llamado procesamiento digital de luz (DLP). El equipo desarrolló una resina LC similar a la miel que, cuando se golpea con luz ultravioleta, se cura, formando nuevos enlaces en una sucesión de capas delgadas de fotopolímeros. La resina curada final forma un elastómero suave, fuerte y conforme. Cuando se imprime en estructuras de celosía (niveles de patrones similares a un panal de abejas) es cuando comienza a imitar el cartílago.
El grupo imprimió varias estructuras, incluida una pequeña y detallada flor de loto y un prototipo de una caja de fusión espinal, creando el dispositivo LCE más grande con el mayor detalle. La combinación de la resina y el proceso de impresión también condujo a una dependencia de la velocidad 12 veces mayor y una disipación de tensión-energía hasta 27 veces mayor en comparación con los impresos a partir de una resina de elastómero fotocurable comercialmente disponible.
DESDE CASOS DE FÚTBOL HASTA LA COLUMNA VERTEBRAL
En el futuro, las estructuras tienen varias aplicaciones, como espuma de casco de fútbol americano que absorbe los golpes o incluso pequeños implantes biomédicos para los dedos de los pies. Yakacki está muy entusiasmado con sus posibilidades en la columna vertebral.
"La columna vertebral está llena de desafíos y es un problema difícil de resolver", dijo Yakacki. “Las personas han intentado hacer discos sintéticos de tejido espinal y no lo han hecho bien. Con la impresión en 3D y la alta resolución que hemos obtenido, puede igualar exactamente la anatomía de una persona. Un día, podremos cultivar células para reparar la columna vertebral, pero por ahora, podemos dar un paso adelante con la próxima generación de materiales. Ahí es donde nos gustaría ir ".