Desarrollan una impresora 4D de materiales inteligentes con propiedades magnéticas y electromecánicas

Parque Científico Universidad Carlos III de Madrid - Leganés Tecnológico

Científicos de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) han creado el software y hardware de una impresora 4D con aplicaciones en el ámbito biomédico. Además de imprimir en 3D, esta máquina permite controlar una función extra: la programación de la respuesta del material para que pueda cambiar su forma cuando se aplica un campo magnético o para cambiar sus propiedades eléctricas cuando se deforma. Esto abre la puerta al diseño de robots blandos o sensores y sustratos inteligentes que transmitan señales a diferentes sistemas celulares, entre otras aplicaciones.

Esta línea de investigación se centra en el desarrollo de estructuras multifuncionales blandas, compuestas por materiales con propiedades mecánicas que mimetizan tejidos biológicos como el cerebro o la piel. Además, son capaces de cambiar su forma o propiedades frente a estímulos externos, como campos magnéticos o corrientes eléctricas.

Hasta el momento, este equipo de investigadores había realizado diversos avances en el diseño y fabricación de estos materiales, pero se encontraban muy limitados en cuanto a la forma y programación de respuestas inteligentes de los mismos. Lo que han presentado en su último estudio, publicado en la revista Advanced Materials Technologies, les ha permitido abrir nuevas posibilidades mediante el desarrollo de una nueva metodología de impresión 4D. “Esta tecnología nos permite no solo controlar la forma en la que imprimimos las estructuras en tres dimensiones, sino que también nos permite dotarla de la capacidad de cambiar sus propiedades o geometría frente a la actuación de campos magnéticos externos, o modificando sus propiedades eléctricas al deformarse”, explica uno de los investigadores, Daniel García González, responsable del proyecto ERC 4D-BIOMAP (GA 947723) y profesor del Dpto. de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras de la UC3M.

Este tipo de impresión es compleja dado que el material a imprimir realiza una transición de líquido a sólido durante el proceso de impresión. Por ello, resulta necesario comprender la dinámica para conseguir adaptar el proceso de impresión, de manera que se obtenga un material lo suficientemente líquido cuando fluye a través de la boquilla de la impresora, pero, a su vez, lo suficientemente sólido para que pueda mantener una forma específica. Para ello, han desarrollado una metodología interdisciplinar que combina técnicas teóricas y experimentales que les ha permitido construir el dispositivo de impresión desde cero, tanto la parte física del aparato (el hardware) como los programas informáticos que permiten controlarlo (el software).

Un material que se autorrepara

Los investigadores también han desarrollado un nuevo concepto de material que es capaz de repararse de manera autónoma y sin necesidad de actuación externa, según otra publicación reciente en la revista Composites Part B: Engineering. “Este material consiste en una matriz polimérica blanda donde se incluyen partículas magnéticas con un campo remanente. A efectos prácticos es como si tuviéramos pequeños imanes distribuidos en el material, de manera que, si éste se rompe, al volver a acercar las partes resultantes, éstas van a volver a juntarse recuperando su integridad estructural”, indica Daniel García González.

Gracias a estos avances, que han dado lugar a varias patentes registradas, estos científicos han sido capaces de imprimir tres tipos de materiales funcionales: unos que cambian su forma y propiedades frente a campos magnéticos externos; otros con capacidad de reparación autónoma; 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 sistemas celulares, de manera que puedan influir en procesos biológicos tales como la proliferación o migración celular. Estos materiales también pueden emplearse para diseñar robots blandos cuya actuación se puede controlar mediante campos magnéticos.

La combinación de materiales con capacidad de reparación autónoma y cuyas propiedades de conducción eléctrica varían con la deformación, abre enormes posibilidades en el desarrollo de sensores. “Podemos pensar en sensores que unidos a nuestro cuerpo recopilen información sobre nuestro movimiento a partir de las variaciones en la conductividad eléctrica. Además, la capacidad de reparación autónoma del material permite el diseño de sensores con señales binarias. Por ejemplo, si hemos tenido una lesión de rodilla y necesitamos limitar la rotación hasta un valor máximo, podemos incorporar una pequeña banda de este material sobre nuestra articulación. De esta manera, cuando superemos dicha rotación máxima, el material se romperá mostrando un cambio abrupto en sus propiedades eléctricas, proporcionando así una señal de aviso. Sin embargo, al volver a un estado relajado de la rodilla, la capacidad de reparación del material dará lugar a la recuperación de la señal eléctrica. De esta manera podemos monitorizar nuestros movimientos y avisar de condiciones de riesgo durante postoperatorios o temporadas de rehabilitación”, señala Daniel Garcia González.

Referencias bibliográficas:

Lopez-Donaire, M.L. Aranda-Izuzquiza, G. Garzon-Hernandez, S. Crespo-Miguel, J. Fernández-de la Torre, M.;  Velasco, D. Garcia-Gonzalez, D. (2023). Computationally Guided DIW Technology to Enable Robust Printing of Inks with Evolving Rheological Properties. Advanced Materials Technologies. https://doi.org/10.1002/admt.202370012

Garcia-Gonzalez, D. Ter-Yesayants, T., Moreno-Mateos, M.A., Lopez-Donaire, M.L. (2023). Hard-magnetic phenomena enable autonomous self-healing elastomers, Composites Part B: Engineering, Volume 248, 110357. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110357

Pie de imagen: una nueva impresora inteligente permite la fabricación de materiales multifuncionales blandos adaptando continuamente los parámetros de extrusión. Combinando métodos experimentales y computacionales, se imprimen materiales conductivos y magneto-activos con propiedades que imitan los tejidos biológicos.