Aplicación en la UCR y softwares de diseño 3D

        MeshMixer es un software es relativamente fácil de aprender y va dirigido tanto a estudiantes como a profesionales que estén en el inicio de modelado 3D, es también el software utilizado en la Universidad de Costa Rica para enseñar a los estudiantes de la carrera de Licenciatura en Odontología sobre como realizar moldes y encerados en piezas dentales que posteriormente se utilizaran en pacientes. 

Carolo, L (2020). Meshmixer Tutorial for Beginners. [Figura 1].

        En el estudio de M. (2020) se indica que MeshMixer es uno de los software 3D gratuitos ofrecidos por Autodesk que tiene varias características que logran ayudar a quien lo utilice en el modelado e impresión 3D, este está disponible en Windows y Mac Os.

        El proceso utilizado en odontología y en la enseñanza de Bio-impresión 3D por medio de este software en la Universidad de Costa Rica es muy sencillo, primero se escanea al paciente, el escaneado se realiza por medio de un scanner de laboratorio puede ser intraoral o extraoral esto se convierte en un tipo de impresión que sustituye los modelos de yesos por uno digital, posteriormente se aísla el diente que debe tratado y se planea como se va a hacer obteniendo un archivo STL “Standard Tessellation Language, es un diseño asistido por computadora (CAD) se debe realizar un diseño de acuerdo con la anatomía que se desea dar a la pieza, posteriormente se procede a realizar la fabricación asistida por computadora (CAM), en donde la Fresadora va a fabricar lo que se diseñó anteriormente, , se realiza la selección del material donde se va a hacer la restauración, se utiliza una fresadora con varias brocas, luego la pieza esta lista para ser cementada y colocada. ( V. Tatiana, 2021).

S.N. (2019). Facultad de Odontología. [Figura 2].

        En el estudio de C. (2020) … vemos que existen otros softwares muy utilizados para la enseñanza de la impresión y diseño en 3D en otras universidades y centros de enseñanza como por ejemplo:

Morphi: es una aplicación de software 3D diseñada para su uso en tabletas, permite crear modelos 3D de una manera muy sencilla y contiene una amplia biblioteca de modelos decorativos y funcionales

Leopoly: es un software simple y sencillo de usar, tiene varias opciones para moldear un objeto al igual que una biblioteca de objetos disponibles para personalizar.

BlocksCAD: Este software fue creado exclusivamente con un propósito educativo, se desarrolla de manera que cualquier persona pueda usar.

OpenSCAD: un software más profesional, contiene representaciones en sus comandos que se asemejan a bloques de construcción de colores. 

Sketch up Make: Es un programa gratuito y ofrece múltiples herramientas para diversos usuarios como: fabricantes, arquitectos, diseñadores, ingenieros y constructores. 

Clara.io: Software de modelado, animación y renderizado 3D que se basa en la nube y todas las funciones que se ejecutan en su navegador web, permite crear modelos 3D más complejos, y representaciones fotorrealistas y compartirlas sin necesidad de ningún programa específico.

Redeweb. (2021). Software. [Figura 3]

Bio-impresión y sus aplicaciones en la medicina regenerativa

        De las aplicaciones de la impresión 3D, las que se dan en la medicina son impresionantes, la innovación va desde la impresión de audífonos y prótesis dentales hasta la creación de vasos sanguíneos y órganos. A continuación, les presentamos que es la bioimpresión y sus aplicaciones en la medicina regenerativa:

        La bio-impresión se deriva de la impresión 3D y es un proceso mediante el cual se obtienen estructuras tridimensionales al adicionar capas de bio-tinta. Su objetivo principal es la fabricación de estructuras humanas complejas con las propiedades biológicas y mecánicas que permitan restaurar la función de un tejido o un órgano (Fundación Instituto Roche, 2019, p.7). 

 ¿Qué es la bio-tinta?

        Son sustancias que contienen hidrogeles, químicos y células, hay unas que solo tienen un tipo de células y otras que tienen múltiples tipos. Por otro lado, las células se pueden obtener de un donador o del mismo paciente (Jones, 2019, 1m10s).

¿Cuáles son los beneficios de la bio-impresión?

        En la actualidad, existe una crisis debido a que hay déficit inmenso entre las personas que necesitan trasplantes y la cantidad de órganos que se pueden donar (Escudero y Otero, 2015), por lo que, al lograr la impresión de órganos, se podría personalizar y adaptar estos a las necesidades de los pacientes, de manera que el déficit se disminuiría o incluso se podría llegar a eliminar. Asimismo, los rechazos de órganos y tejidos que se dan comúnmente debido a que proceden de otras personas se disminuirían, ya que si se utilizan células propias la probabilidad de rechazo es casi inexistente (Fundación Instituto Roche, 2019, p.7). 

        Si desea conocer más sobre el proceso de bio-impresión 3D, le recomendamos ver el siguiente video de TEDEd:

¿Qué nos espera en el futuro? 

        Actualmente, la bio-impresión se encuentra en la fase experimental, con algunas pocas excepciones, sin embargo, en un futuro cambiará la manera de enfrentarse al trasplante de órganos, la medicina regenerativa o el abordaje personalizado de tumores u otras patologías (Fundación Instituto Roche, 2019, p.7). A continuación, les presentamos algunos de las propuestas más relevantes de la bio-impresión:

Injertos de Piel

        En la universidad de Leiden se desarrolló un proceso que combina la impresión 3D con las células madre inducidas que permiten crear más células a partir de las ya diferenciadas. 

        Esto trae beneficios con respecto a que se reducen las respuestas inmunes al nuevo tejido y que el tratamiento de heridas de gran tamaño se facilita y acelera, esto debido a que encontrar injertos de piel de gran extensión es dificultoso. 

        Los injertos de piel son muy dolorosos, ya que toman fragmentos de piel sana y los usan para cubrir la parte del cuerpo afectada; sin embargo, con esta invención tecnológica el paciente ya no se deberá someterse a este tipo de tratamientos

Impresión de Vasos Sanguíneos 

        En la Universidad de Pensilvania y en el Instituto Tecnológico de Massachussets se descubrió una manera de imprimir vasos sanguíneos. 

        La técnica para crear vasos sanguíneo se centra en la vascularización, de manera que se pueda eliminar el molde y la plantilla una vez que se desarrolla tejido alrededor de los filamentos impresos.

ALVY. (2016). Avances en impresión 3D de vasos sanguíneos que funcionan como los de verdad. [Figura 4].

Órganos Impresos en 3D

        La impresión de órganos es uno de los principales objetivos que tiene la medicina regenerativa, esto consiste en imprimir objetos tridimensionales a partir de bio-tintas que contienen células madre vivas, los cuales sean capaces de funcionar igual o mejor que los órganos (Godfrey-Lowis, 2018).

        Uno de los principales retos que se tenían para el desarrollo de la bio-impresión de órganos es la impresión de vasos sanguíneos dentro de estos, sim embargo, los investigadores de la Universidad de Harvard lograron crear tejidos entrelazados por vasos sanguíneos (Young, 2014). 

        Lo que se hizo fue tomar una tinta gelatinosa de células madre, la cual es capaz de volverse líquida una vez que se enfría. De manera que, el tejido se construye en la impresora 3D mediante capas de tinta capaz de mantener su estructura una vez depositada por la impresora. Luego, se imprimieron en el tejido hilos compuestos de la tinta especial y se dejaron vacíos para después poder retirarla, una vez que se enfriara (Young, 2014).

        Si quiere conocer más sobre el tema, puede dar clic en el video que se presenta a continuación, el cual presenta al cirujano Anthony Atala mostrando un prototipo de riñón que puede producir una sustancia similar a la orina:

Audífonos y Orejas Biónicas 

        En la actualidad, el 98% de los audífonos son fabricados utilizando la impresión 3D, pero como si esto no fuera suficiente, los investigadores de Princeton y del hospital John Hopkins han logrado lo que se conoce como oreja biónica. 

        Se trata de una estructura tridimensional con forma de esqueleto que tiene células cartilaginosas, y que en 10 semanas dan lugar a una oreja artificial rellena de dispositivos electrónicos, lo único que se debe hacer es nutrirla por medio de la vascularización. 

        Esta invención les permitiría a las personas sordas poder escuchar hasta ondas de radio y señales electromagnéticas, las cuales actualmente están fuera del alcance del oído humano. 

  TRSD. (2013). La Oreja Biónica. [Figura 5].

  

TRSD. (2013). Audífonos 3D. [Figura 6].

Funcionamiento de las impresiones 3D

 Impresión 3D

La impresión 3D es una técnica de fabricación de objetos a partir de la deposición de diferentes materiales mediante una maquina especializada manejada por computadora, existen diferentes métodos que varían en sus acabados y los materiales que utilizan, de esta forma se pueden ampliar las posibilidades de impresión además de los usos que pueden recibir los objetos construidos, yendo desde los sistemas más básicos en los que se utilizan plásticos inyectados y generan acabados mas austeros, hasta resinas especiales moldeadas a partir de luz ultravioleta permitiendo así mejorar la calidad y el acabado para usos más especializados. (O'Leary, M. 2019).

Existen diversos métodos utilizados en la fabricación de objetos tridimensionales que pueden ser definidos como impresión 3D, en las décadas de los 80´s y 90´s se crearon tecnologías de moldeado de resinas fotosensibles para la fabricación de objetos, sin embargo, el desarrollo de estas tecnologías fue descartado en su momento porque no creyeron que tuviera una utilidad importante para la industria, mas tarde se desarrolló una tecnología con resultados similares pero un método de fabricación diferente en el que se usaba una cabezal móvil en 3 ejes que usando calor fundía el material y lo depositaba en capas creando estructuras en tres dimensiones.

            Conforme avanza el tiempo se crean nuevas técnicas y se perfeccionan las ya existentes de forma que ahora contamos con múltiples opciones de impresión, a continuación se detallan las especificaciones de cada una de las técnicas mas comunes y utilizadas en la industria actualmente. (Chua. C.K, Leong. K.F, Lim. C.S. 2003)

FDM o Impresión por Extrusión.

            Conocida como FDM, es la técnica más común y utilizada en la creación de objetos mediante la impresión 3D, ya que permite el uso de diferentes materiales termoplásticos que son fácilmente moldeables con calor, los que principalmente se utilizan son PLA, ABS, HDPE y TPU. El principio fundamental detrás de esta técnica es la deposisión de material a través de una boquilla que se encuentra en un cabezal móvil que se monta normalmente en tres ejes (x y z), aunque en algunos casos mas específicos se puede llegar a montar hasta en 5 ejes, lo que permite una mayor movilidad y por lo tanto incrementa las posibilidades de impresión así como la calidad de los acabados. Para las impresiones en plásticos la maquina cuenta con un cabezal térmico que funde un filamento del material mientras un motor controlado por computadora empuja la fundición a través de la boquilla, mientras esto sucede otros motores ubicados en cada uno de los ejes de movimiento hacen avanzar el cabezal, de esta forma el material es depositado en finas capas una sobre la otra. Cada partícula es colocada sobre la pieza en un lugar especifico determinado por el software de la computadora que recibe unos parámetros ingresados por el usuario, de esta forma el objeto se va construyendo poco a poco.

            Por este método también se pueden crear estructuras con otros materiales, incluyendo elementos comestibles o de gran importancia en la industria como el concreto. El sector de la construcción cuenta con impresoras a gran escala que a simple vista parecen una grúa mas, pero es capas de construir una casa imprimiéndola capa por capa de forma guiada por computadora. Y como este ejemplo hay muchos mas de diferentes campos de la industria que se ven beneficiados con esta tecnología.

S.N. (2017). FDM-FFF O MODELADO POR DEPOSICIÓN FUNDIDA. [Figura 7]

SLS o Sintetizador Selectivo por Láser.

            En este método la adición del material no lo realiza el cabezal, en cambio se cuenta con un laser de alta potencia, generalmente de CO2 que sintetiza las partículas solidificando el medio en el que es enfocado. Bajo el plano de trabajo del cabezal se encuentra una base o recipiente en el que se agrega una capa fina de material, por lo general en polvo y de unas pocas decimas de milímetro de espesor, que es calentado hasta una temperatura ligeramente inferior al punto de fusión del material, luego de esto el láser avanza según las indicaciones del software enfocando los puntos que se necesitan fundir para crear la estructura, una vez la capa esta terminada la base baja respecto al cabezal lo correspondiente al espesor de esta, una nueva capa de material es agregada y el láser vuelve a actuar, este proceso se repite capa tras capa hasta terminar la pieza.

            Este método presenta algunas ventajas respecto a los demás, entre ellas se encuentra la calidad del acabado ya que el espesor de las capas puede ser tan pequeño como lo sean las partículas del material base, además de que el material sobrante siempre rodea la estructura y sirve como soporte evitando que se deforme. La ventaja mas importante que presenta este método es la capacidad de usar materiales metálicos en polvo, que una vez fundidos por el laser forman estructuras solidas con capacidades mecánicas similares a una pieza solida de metal trabajada por una fresa o fundida en un molde.

SLA o Estereolitografía.

            Este método utiliza las propiedades fotosensibles del material base, que es generalmente una resina liquida fotopolimérica que se solidifica al entrar en contacto con la luz ultravioleta. Partiendo de esta base la maquina cuenta con un recipiente en el que se deposita el material, una pantalla o cabezal imprime la estructura capa por capa usando un haz de luz ultravioleta que solidifica el material, una vez que la capa es terminada la base se separa del cabezal el equivalente al espesor de la capa y se procede a imprimir una nueva capa. En algunas maquinas el haz de luz es emitido desde debajo de la capa de material, y la estructura se adhiere a una plataforma superior que asciende con cada capa concluida, de esta forma la parte de la pieza que esta lista va saliendo del medio y permite una mejor calidad de impresión. (Chua. C.K, Leong. K.F, Lim. C.S. 2003)

Sanches, S (2017). SLA: Impresión 3D por estereolitografía. [Figura 8].

 

Fotopolimerización por absorción de fotones.

            Este método utiliza el material en un bloque de gel que es trabajado con un láser que solidifica el material formando la estructura, de esta forma el gel es curado solo en los puntos en los que se enfoca el láser debido a la nolinealidad óptica de la fotoexcitación. Una vez que la estructura es terminada esta se lava eliminando las partes restantes del gel dando como resultado una pieza de excelente calidad debido a que el margen de error es tan pequeño como pueda ser el diámetro del laser utilizado. Este método permite el uso de materiales muy variados y dar resultados que son requeridos en usos muy específicos como lo son la medicina, en estos geles se pueden incluir materiales biológicos tales como células vivas, permitiendo así la impresión inclusive de órganos funcionales. (Chua. C.K, Leong. K.F, Lim. C.S. 2003)

INVOCAR. (2017).Fotopolimerización: excelente polimerización en cerámica. [Figura 9].

                Si desea profundizar mas en este tema se aconseja ver este video: