Impresión 3D: de curiosidad a promesa de vida

Cuando la tecnología se pone al servicio no sólo de la industria y de la diversión, sino de la felicidad, podemos hablar, inequívocamente, de progreso.

Impresora en 3D, 2014
(Foto CC via Wikimedia Commons)

En 2013 comenzaron a aparecer en las noticias pacientes, principalmente niños, con prótesis de manos funcionales e incluso divertidas, de colores vivos o que imitaban a algún superhéroe como “Ironman”.

Y, lo más sorprendente, estas prótesis costaban decenas o cientos de euros, comparadas con las prótesis habituales de hasta decenas de miles de euros.

Los responsables: unos dispositivos que prometen convertirse en una presencia tan común en el hogar como la impresora y el ordenador: la impresora en 3D. Se trata de máquinas capaz de usar un archivo de instrucciones para crear con ellas un objeto físico, como una impresora en papel plasma los trazos o fotografías de un programa de manipulación de imágenes o diseño.

La impresión en 3D no esculpe, retirando material de un bloque, sino que va depositando material en capas sucesivas para dar forma al objeto, por lo que se conoce también como “fabricación aditiva”.

Esta idea la llevó a la práctica en 1984 Charles, “Chuck” Hull, al patentar la estereolitografía. Esta forma de impresión usa un cabezal de luz ultravioleta que “dibuja” cada capa en un depósito lleno de un fotopolímero que se “cura” o endurece en presencia de la luz. Una plataforma hace descender la capa para que se haga la segunda sobre ella y así sucesivamente. Poco después se empezarían a utilizar otros materiales, desde resinas y plásticos hasta metales y cerámicas, otros medios, como el láser o el calor, y otros procedimientos para lograr la impresión, como boquillas que depositan directamente materiales que se solidifican.

El primer uso de las impresoras de Hull fue la creación rápida de prototipos para las más diversas industrias, un proceso que, al ahorrar el largo tiempo necesario para producir esos prototipos a mano, compensaba el enorme coste, de cientos de miles de euros, de las primeras impresoras.

Los dispositivos dispararon la especulación creativa. En 1999, un equipo del instituto de medicina regenerativa Wake Forest utilizó la impresión en 3D para crear el andamiaje de una vejiga urinaria que se usó como base para cultivar células de la vejiga de un joven, que así pudo recibir un trasplante con sus propias células. Este instituto está desarrollando técnicas de bioimpresión capaces de ir colocando células en disposiciones tridimensionales, “imprimiendo” con ellas. En el año 2000 lograron crear un riñón funcional en miniatura, mientras que otra empresa consiguió imprimir por primera vez vasos sanguíneos en 2009.

El arte, la moda, el diseño y otras muchas disciplinas han ido acudiendo a la impresión 3D para proyectos cada vez más ambiciosos, como el primer avión robótico o el primer automóvil íntegramente impresos en 3D, que ya han sido una realidad.

Los precios de las impresoras en 3D van en picado y su accesibilidad aumenta exponencialmente. Uno de los sistemas para lograr esto han sido las impresoras en 3D diseñadas para producir, precisamente, las piezas de otras impresoras en 3D, formando una cadena de máquinas capaces de autoclonar sus componentes plásticos. Tal es el caso del proyecto RepRap del Dr. Adrian Bowyer de la Universidad de Bath, que lanzó la primera impresora autorreplicable, llamada Darwin, en 2008.

La explosión de este tipo de aparatos significa, también, que el consumidor tiene cada vez más la posibilidad de hacerse de modo accesible con productos que de otra forma serían demasiado costosos o, simplemente, serían difíciles de encontrar. Cada día más sitios web ofrecen la posibilidad de descargar archivos gratuitos para impresión, desde piezas de ajedrez con formas y personajes distintos hasta parasoles para objetivos fotográficos, floreros o carcasas para teléfonos móviles. Es sólo el principio.

Las impresoras en 3D empezaron a ser realmente accesibles para el consumidor apenas en 2011, al aparecer las primeras máquinas de menos de mil euros y formas de que uno, si lo desea, haga su propia impresora en 3D, ya sea adquiriendo los planos o directamente por medio de kits para armar.

Las impresoras para el consumidor constan, generalmente de una base con el ordenador que recibe e interpreta los planos o instrucciones y controla el proceso, y un cabezal impresor dispuesto en barras que le confieren movimiento en 3 dimensiones, que funde y deposita plástico suministrado en forma de filamento por una bobina. Como en el caso de las impresoras en 2D, el elemento clave de la calidad de una impresora es su resolución, en este caso, el grosor de cada capa, que afecta la calidad final del producto. En teoría, pueden producir cualquier pequeño objeto de plástico con el archivo correspondiente.

En 2008 año se consiguió imprimir una pierna prostética totalmente en 3D, sin siquiera necesidad de ensamblar sus piezas, que permitió a un paciente caminar sin problemas. Era el primer paso para abatir el coste y tiempo necesarios para la adaptación de miembros artificiales.

Las prótesis de manos son especialmente costosas por su complejidad. O lo eran. Ahora, como parte de los modelos que pueden descargarse de Internet para imprimirse en casa se encuentran manos prostéticas que utilizan electrónica accesible para que el usuario las mueva, servomotores más baratos y una estructura de plástico. Los pacientes tienen a su alcance una prótesis de calidad, de última tecnología… y a un precio que incluso les permite tener varias, según la ocasión, lo cual resulta atractivo, de nuevo, más para los niños. De hecho, las prótesis no intentan asemejarse a las manos originales, sino que gritan su peculiaridad orgullosamente.

Las manos son sólo un principio. Conforme haya mejores materiales y tecnología más barata, las posibilidades en la prostética pueden ser tan asombrosas como imprimir un rostro desfigurado usando el hueso, cartílago y piel que permitan la reconstrucción del aspecto de personas desfiguradas. O, en un terreno más mundano, esta tecnología también puede resolver problemas en apariencia más triviales, como el reemplazo de una válvula de una bomba de agua que de otro modo requeriría mucho más tiempo y dinero.

Lo que se podría llamar un futuro en gran medida impreso en 3D.

Las armas impresas Toda tecnología es susceptible de ser utilizada para la destrucción, como lo descubrió Alfred Nobel cuando sus explosivos para hacer túneles pasaron al mundo bélico. En 2013 se distribuyeron los archivos de la primera pistola en 3D de un solo tiro, que fueron descargados miles de veces de inmediato. Aunque hasta la fecha nunca se ha usado para dañar a nadie, los expertos advierten que este mal uso inevitable no debe ser, en modo alguno, pretexto para ponerle trabas a la tecnología.

Recambios mecánicos para el ser humano

Prótesis de cadera común
(D.P. vía Wikimedia Commons)

En los últimos años, los avances del mundo de las prótesis están abriendo nuevos horizontes para la resistencia y duración del frágil cuerpo humano.

En la década de 1970 se popularizó una serie de televisión donde un astronauta sufría un terrible accidente y su ojo derecho, su brazo derecho y ambas piernas eran sustituidos por prótesis de tecnología desarrolladísima. La serie llevaba por nombre “El hombre de los sies millones de dólares”, el coste de las reparaciones a las que era sometido el protagonista.

En aquella época, el surtido de piezas de recambio para los miembros humanos ya era variado y empezaba a dejar atrás una tecnología primitiva. Ante la promesa de los ordenadores que apenas iban a salir de empresas y universidades para llegar a los hogares, el asombro de la carrera espacial y los nuevos materiales, la promesa de esta serie era asombrosa: miembros que realmente sirvieran.

Las piernas “biónicas” le permitían al personaje correr a gran velocidad. El ojo le daba visión telescópica e infrarroja y el brazo le permitía levantar pesos tremendos (una hazaña si consideramos que el brazo estaba articulado con una clavícula, sostenida por una columna vertebral apoyada en una pelvis... tres elementos formados de humilde hueso que nunca habrían podido sostener los pesos que levantaba el brazo. Pero vale... es una fantasía.

La historia de las prótesis, que reemplazan artificialmente una parte del cuerpo faltante, se remonta a más de 2000 años. La más antigua evidencia arqueológica de la que disponemos es una pierna artificial hecha con placas de metal martilladas sobre un núcleo de madera que se ataban con cintas al muñón de la pierna faltante.

La ciencia y técnica de las prótesis para amputaciones se vio impulsada, desafortunadamente, por las consecuencias de diversas guerras, y para la época en la que “El hombre de los seis millones de dólares” ocupaba las pantallas caseras, la guerra de Vietnam impulsaba el desarrollo de esta especialidad en los Estados Unidos. Fue por entonces, por ejemplo, que se diseñó la copa moldeada en plásticos de nueva generación que dio a los amputados de piernas una comodidad nunca antes ofrecida. El diseño se ajusta al muñón como un guante, y distribuye correctamente el peso en toda la parte restante, hueso y músculos.

Este principio usado hasta hoy, fija la pierna artificial al muñón y permite hazañas como correr en competiciones oficiales. La fijación suele estar acompañada del llamado “pie de Seattle” o "pie prostético almacenador de energía", que cuenta con un sistema para absorber la energía que recibe al darse un paso para impulsar el siguiente paso. Esto es posible únicamente gracias a nuevos materiales como la fibra de carbono (la misma que se usa en raquetas de tenis o en las carrocerías de los autos de Fórmula Uno) y modernos polímeros, todo ello acompañado de ciencias de reciente nacimiento como la biomecánica y la bioingeniería, que estudian cómo nos movemos y cómo reproducir esos movimientos.

Las manos artificiales, sin embargo, no pueden funcionar de modo únicamente mecánico. En 1964, en la Unión Soviética, comenzó el desarrollo de manos artificiales movidas por pequeños servomotores. Las contracciones de los músculos del muñón del miembro realizadas voluntariamente por el paciente son percibidas e interpretadas por circuitos eléctricos del miembro artificial para abrir y cerrar la mano.

Apenas en 2009 aparecieron los primeros estudios de una mano artificial capaz de sustituir la sensación del tacto. La mano artificial cuenta con sensores táctiles que envían a su vez información para activar pequeños actuadores que tocan el muñón y dan información al poseedor de la prótesis.

Las amputaciones presentan el problema de reproducir el movimiento de las partes perdidas, especialmente cuando ocurren por encima de la rodilla (en las piernas) y por encima del codo (en los brazos). En esos casos, ha sido mucho más difícil desarrollar rodillas y codos artificiales que reproduzcan de modo adecuado los movimientos que ofrecen estas articulaciones.

En estos casos, la opción tecnológica son las rodillas y codos controlados por microprocesadores, que analizan la información sobre la posición y el tipo de movimiento que está realizando el paciente, y procede a enviar señales para que un cilindro hidráulico flexione o extienda la rodilla artificial.

Resulta mucho más sencillo sustituir articulaciones que se hayan desgastado, pero que estén en miembros que cuentan con todos sus músculos, nervios y arterias. Una de las articulaciones que más se sustituye hoy en día es la cadera, sobre todo en personas de edad muy avanzada en cirugías que hace apenas dos décadas se hubiera considerado de altísimo riesgo.

La sustitución de la cadera requiere cambiar los dos elementos de la articulación: la parte superior o cabeza del fémur y el acetábulo o receptáculo que está en la pelvis. La técnica se desarrolló en la década de 1970 y consta de una pieza metálica que se inserta en el fémur, al que se le ha cortado la parte superior, una cabeza de cerámica ultrarresistente y una copa o que se coloca en la pelvis con cemento óseo o tornillos y donde se articula la cabeza.

La existencia de huesos y músculos ha facilitado y permitido un notable éxito para implantes como los de reemplazo de cadera, de codo (con una bisagra simple) y rodilla (donde dos piezas metálicas se colocan en los extremos del fémur y la tibia, y entre ellos un espaciador de un plástico altamente resistente que permite el movimiento del metal sin fricción).

Estos y otros implantes, como los tornillos y placas utilizados para fijar y reparar fracturas, la piel artificial, los implantes cocleares que le han devuelto el oído a muchísimas personas, avanzan continuamente gracias a nuevos materiales, nuevos desarrollos de la microminiaturización y una mejor comprensión de nuestro cuerpo. Quizá nunca lleguen a la ciencia ficción, un tanto ingenua de la TV de 1970, pero cada paso adelante tiene un claro beneficio en vidas de mayor calidad y duración.

El problema del ojo El ojo artificial solía ser únicamente cosmético, una pieza de vidrio o plástico para ocultar una inquietante cuenca vacía. Actualmente están en desarrollo no menos de 17 proyectos distintos que buscan restituir la función visual a los ciegos, entre ellos el de la Neuroprótesis Visual Cortical, Cortivis, con grupos en seis universidades, todos encabezado por el Dr. Eduardo Fernández del Instituto de Bioingeniería en la Universidad Miguel Hernández, en Alicante. Este proyecto en concreto utiliza una “cámara” o codificador bioinspirado que envía señales a un microprocesador situado en la nuca que estimula a su vez la corteza visual del cerebro, de modo análogo al de los implantes cocleares.