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Impresión 4D: Materiales inteligentes en evolución

Concepto

La impresión 4D se caracteriza por materiales que al exponerse a un estímulo determinado (presión, temperatura, luz, etc.), pueden presentar cambios en función del tiempo. Esta cuarta dimensión plantea un aspecto altamente diferenciador respecto a la impresión 3D. Por lo que se dice que la impresión 4D es una evolución de la impresión 3D. Estudios recientes se centran en la investigación de materiales, principalmente polímeros, debido a su alta versatilidad y adaptabilidad, que ofrezcan una funcionalidad al ser estimulado. El objetivo principal de estas búsquedas es lograr potencializar y ampliar cada vez más los campos de aplicación de esta tecnología. Actualmente, ya se tienen modelos de aplicación en sectores que van desde la arquitectura hasta la medicina. Se espera que a futuro la impresión 4D revolucione el diseño y la ingeniería.

Los inicios

Como es mencionado por Demoly, F., & André, J. C. (2024), la impresión 4D es introducida entre los años 2013 y 2014 por Skylar Tibbits, fundador y codirector del Self-Assembly Lab del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) , cuando mediante el uso de materiales activos, se buscó la creación de objetos que pudiesen modificar su forma con el tiempo a partir de una estimulación energética. El método permitía la deformación controlada digitalmente. De acuerdo con el autor para asegurar el éxito de las impresiones 4D se requiere de la aplicación de técnicas de fabricación aditiva con estímulos específicos que consigan alterar la forma de los objetos fabricados.

La impresión 4D está destinada a revolucionar el diseño y la fabricación en cualquier industria. A continuación nos centraremos en examinar dos aplicaciones muy prometedoras: la impresión 4D de biomateriales aplicados a medicina y la creación de microagujas transdérmicas bioinspiradas.

Movimiento en los materiales

Biomateriales en medicina

Según Kim et al. (2024) a nivel de medicina la impresión tridimensional (3D) se ha visto enfrentada a muchos desafíos teniendo en cuenta las características estáticas y la ausencia de capacidades de transformación de formas. Esto ha dificultado que los objetos tengan una capacidad de emular de una manera precisa los cambios del cuerpo y los tejidos, de lo que sería la dinámica natural humana. Las impresiones en 4D, en términos de bioimpresión debería permitir una integración eficaz con el cuerpo humano con la ventaja adicional de una invasividad mínima y bajo las respuestas esperadas para cada parte del cuerpo humano en que se use. Con esto se permiten superar los obstáculos al incorporar la dimensión del tiempo como la cuarta dimensión que no se logra con la impresión 3D convencional. Por esta razón se considera que la impresión 4D es una evolución de la impresión 3D.

Kim et al. (2024) analizan en su estudio de qué manera la bioimpresión puede llegar a establecerse como una herramienta muy prometedora en áreas de la medicina que exijan mucha precisión, pues el tener la posibilidad de emular dinámicas de los tejidos humanos se posibilita la creación de tratamientos personalizados, completamente ajustables a las necesidades particulares de los pacientes. Se alude también a la favorabilidad que representa el hecho de que los materiales usados para la bioimpresión presenten propiedades como biodegradabilidad, biocompatibilidad y facilidad de procesamiento, además de permitir la predicción de comportamientos dependientes del tiempo en geometrías programadas.

Impresión 4D y polímeros

En su estudio Kim et al. (2024) se centraron en el desarrollo de un polímero con memoria de forma (SMP) sensible a la temperatura corporal. Analizaron las propiedades térmicas del SMP y evaluaron su biodegradabilidad y biocompatibilidad a través de estructuras fabricadas mediante técnicas de impresión tridimensional. La simulación calculada con esta solución de elementos finitos (FE) coincidió bien con las medidas en los experimentos. Los hallazgos contribuyeron a la comprensión del comportamiento del SMP en diversas condiciones, lo que valida la eficacia del material desarrollado para posibles aplicaciones en medicina de precisión y bioimpresión en 4D. Concluyeron así que el material es una opción potencial para ser utilizado en dispositivos médicos, como catéteres, stents y andamios artificiales, preparados mediante bioimpresión 4D. Por otro lado, Zeenta et al. (2023) examinaron las posibilidades de la bioimpresion en la ingeniería de tejidos vasculares.

Concluyen que allí desempeñará un papel prometedor en el futuro para la fabricación de redes vasculares construidas utilizando materiales que ayudan en el ensamblaje de gotitas heterólogas de células o que crean varios tipos de gradientes para que los materiales formen estructuras complejas como la de la vasculatura. Reconocen también, las ventajas que permiten estos constructos con biomateriales inteligentes que permiten llegar hasta una resolución de tejido casi humana, con maduraciones posteriores a la impresión, que, en definitiva, abordan todos los defectos y limitaciones que se tenían previamente con al bioimpresión 3D.

Corazón impreso en 4D

Impresión 4D en microagujas transdérmicas bioinspiradas

La administración transdérmica de fármacos es muy prometedora para mejorar los resultados terapéuticos, en este sentido las microagujas transdérmicas representan una novedosa y prometedora alternativa en este campo. Raikar et al. (2024) realizan una revisión que proporciona una descripción general concisa del progreso actual y las perspectivas futuras en el desarrollo de microagujas transdérmicas 4D para la administración de fármacos. Las microagujas 4D combinan los principios de la biomimética y la ciencia de los materiales avanzados para crear sistemas de administración de fármacos dinámicos y sensibles. Están diseñados para superar las limitaciones de los parches transdérmicos convencionales al ofrecer un mayor control sobre la liberación del fármaco, una mayor comodidad del paciente y la capacidad de adaptarse a las propiedades dinámicas de la piel.

En su artículo se analizan las diferentes técnicas de fabricación, los materiales y los diseños que se han explorado hasta el momento para la creación de las microagujas. Además, Raikar et al. (2024) examinan cómo estas microagujas han demostrado tener potencial para administrar fármacos de moléculas pequeñas y productos biológicos, lo que las ha convertido en herramientas versátiles en la industria farmacéutica. Los esfuerzos de investigación actuales se centran en mejorar la biocompatibilidad, la escalabilidad y la viabilidad comercial. La integración con tecnologías inteligentes, como sensores y sistemas de control de retroalimentación, permitirán una administración personalizada y reactiva del fármaco. Las microagujas permiten la localización precisa de la administración de fármacos en tejidos específicos, incluida la piel, el espacio supracoroideo del ojo e incluso dentro de los núcleos celulares.

Bioinispiración: evolución de la impresión 3D

El término “bioinspirado” indica que estas microagujas están diseñadas en base a estructuras y procesos biológicos naturales. Su objetivo es replicar la eficiencia y eficacia que se encuentran en ciertos organismos y sistemas del mundo natural. El aspecto “4D” agrega una dimensión dinámica a estas microagujas, lo que significa su capacidad de cambiar y adaptarse con el tiempo. Esta adaptabilidad a menudo está impulsada por estímulos externos, como variaciones en la temperatura, niveles de pH o la presencia de sustancias específicas.

Aguja hipodérmica

Nuevos desafíos: cerrando brechas en la investigación

Demoly, F., & André, J. C. (2024) analizan de qué manera es necesario establecer un enfoque holístico en la investigación. Se pretende visibilizarel comportamiento global, como sistema y no como una interacción aislada en lo que concierne a las aplicaciones que puede darse impresión 4D. Según los autores, la impresión en 4D requiere la integración de los hallazgos de la investigación que aprovechan las últimas tecnologías e innovaciones científicas. Esto debe incluir las contribuciones del diseño digital y las ciencias de la ingeniería.

Actualidad

El conocimiento sobre la impresión 4D actualmente está disperso en varias disciplinas. Es limitado en términos de publicaciones, pero está avanzando rápidamente a una tasa anual del 44%. Esto resalta la necesidad de una comprensión integral y perspectivas profundas para desarrollar conceptos, convergencias y abstracciones relevantes sobre los sistemas impresos en 4D. La actividad de investigación en torno a la impresión 4D se enfrenta al riesgo de importantes contratiempos. Deben identificarse caminos admisibles, desde conceptos subdesarrollados hasta aplicaciones.

Cuando un objeto comprende múltiples elementos y exhibe diversos comportamientos al exponerse a estímulos, se convierte en un sistema. Esto contribuye al concepto de hiperobjetos, que abarca las piezas impresas en 4D. Muchos esfuerzos de investigación sobre la impresión 4D se han centrado en dar forma a los objetos utilizando un solo material inteligente. POr tanto se ha descuidado el complejo papel de los estímulos. Por lo tanto, todas las consideraciones relacionadas con la impresión 4D caen dentro del dominio del pensamiento sistémico.

Créditos

Autor: Químico – Jhonatan Duquino Rojas

Editor: Wilson Alfredo Riveros Lozano, Mg. Ing. Carlos Iván Pinzón Romero

Código: UAMGO

Universidad: Fundación Universidad de América

Fuentes:

Demoly, F., & André, J. C. (2024). 4D Printing: Bridging the Gap between Fundamental Research and Real-World Applications. Applied Sciences, 14(13), 5669
Kim, D., Kim, K. H., Yang, Y. S., Jang, K. S., Jeon, S., Jeong, J. H., & Park, S. A. (2024). 4D printing and simulation of body temperature-responsive shape-memory polymers for advanced biomedical applications. International Journal of Bioprinting, 3035
Raikar, A. S., Kalaskar, D., Bhilegaonkar, S., Somnache, S. N., & Bodaghi, M. (2024). Revolutionizing drug delivery by bioinspired 4D transdermal microneedles: Advances and future horizons. European Polymer Journal, 112952.3666
Zeenat, L., Zolfagharian, A., Sriya, Y., Sasikumar, S., Bodaghi, M., & Pati, F. (2023). 4D printing for vascular tissue engineering: Progress and challenges. Advanced Materials Technologies, 8(23), 2300200
Debian-es. (2023). Impresión 4D: moldeando el futuro con objetos que evolucionan [Imagen]. https://debian-es.org/impresion-4d-moldeando-el-futuro-con-objetos-que-evolucionan
Xataka. (2023). ¿Qué es la impresión 4D? [Imagen]. https://www.xataka.com/basics/que-impresion-4d-que-materiales-se-usan-puede-servir
Ejemplo: Iberdrola. (2023). ¿Qué es la impresión 4D? [Imagen]. https://www.iberdrola.com/innovacion/que-es-la-impresion-4d
El Sumario. (2023). Impresión 4D podría ayudar a eliminar las inyecciones dolorosas [Imagen]. https://elsumario.com/impresion-4d-podria-ayudar-a-eliminar-las-inyecciones-dolorosas/
Vodafone (7 de noviembre de 2016). Impresión 4D, los materiales que construyen cosas por sí mismos.(Video). Youtube, https://www.youtube.com/watch?v=6P2dXHIJsUk