Impresión 3D por modelado por deposición fundida: Manejo, funcionamiento y aplicaciones biomédicas

3D printing by fused deposition modelling: Handling, operation and biomedical applications

Fecha de recepción y aceptación: 17 de febrero de 2021 y 29 de abril de 2021

DOI: 10.46583/nereis_2021.13.809

Alba Cano Vicent1 y Ángel Serrano Aroca2*

1 Escuela de Doctorado. Biomaterials and Bioengineering Lab. Centro de Investigación Traslacional San Alberto Magno. Universidad Católica de Valencia San Vicente Mártir.
2 Biomaterials and Bioengineering Lab. Centro de Investigación Traslacional San Alberto Magno. Universidad Católica de Valencia San Vicente Mártir.
* Correspondencia: Universidad Católica de Valencia San Vicente Mártir. Centro de Investigación Trasnacional San Alberto Magno. Calle Guillem de Castro 94. 46001 Valencia. España. E-mail: angel.serrano@ucv.es

RESUMEN

El desarrollo de la impresión 3D está creciendo de forma exponencial debido a la posibilidad única que proporciona de poder fabricar piezas a medida de forma reproducible y personalizada. Aunque todavía está lejos de su desarrollo óptimo debido a la todavía lenta velocidad de impresión y a las limitaciones que supone el no poder disponer de todo tipo de material para imprimir en 3D, esta tecnología está abarcando áreas de aplicación de todo tipo que van desde la construcción de edificios hasta el desarrollo de órganos. Dentro de todas las técnicas de impresión 3D desarrolladas, el modelado por deposición fundida (FDM) es una de las más utilizadas y permite construir piezas avanzadas a partir del diseño asistido por ordenador. En este artículo se exponen todos los conceptos básicos necesarios para su manejo y funcionamiento de la impresión 3D por FDM, los tipos de filamentos y su aplicación avanzada en biomedicina como la impresión 3D de soportes porosos (scaffolds en inglés) para ingeniería tisular y la bioimpresión de células combinadas con biomateriales.

PALABRAS CLAVE: impresión 3D, modelado por deposición fundida, biomateriales, biomedicina, scaffolds, bioimpresión, medicina regenerativa.

ABSTRACT

The development of 3D printing is growing exponentially due to their unique characteristics. Thus, this technique is capable of fabricating custom pieces in a reproducible and personalized way. Although it is still far from its optimal development due to the still slow printing speed and the limitations of materials available for 3D printing in the market currently, this technology is constantly broadening its application areas which covers from building construction to organ fabrication. Among all the 3D printing techniques developed so far, fused deposition modeling (FDM) is one of the most common and it allows the construction of advanced pieces from computer-aided design. This article presents all the basic concepts necessary for the handling and operation of a FDM 3D printer, the types of filaments and the advanced applications of 3D printing in biomedicine such as the fabrication of scaffolds for tissue engineering and the bioprinting of cells combined with biomaterials.

KEYWORDS: 3D printing, fused deposition modeling, biomaterials, biomedicine, scaffolds, bioprinting, regenerative medicine.

Introducción

La impresión 3D, en los últimos años, ha sufrido una gran evolución que ha propiciado que su uso esté actualmente en crecimiento exponencial. La impresión 3D inicialmente se empleaba para hacer moldes o prototipos [1]. Tras ello, aumentó el uso de la impresión 3D debido a la capacidad de diseño más preciso y reproducible de los modelos. De esta manera, se mejoró la rapidez con la que se conseguían los diseños y se posibilitó la realización de prototipos o diseños con diferentes tamaños, estilos, materiales, colores, etc. [2] Actualmente, la impresión 3D ha llegado al público en general, ya que se puede adquirir una impresora 3D incluso en un centro comercial. Cualquier persona hoy en día puede diseñar prototipos e imprimirlos directamente en su casa. Todo esta demanda ha favorecido a pasos agigantados el desarrollo de múltiples técnicas de impresión 3D [3].

Entre todas las técnicas de impresión 3D que existen, cabe destacar el modelado por deposición fundida, la impresión directa, la impresión por inyección, el sinterizado selectivo por láser, entre otras [4]. De todas estas técnicas desarrolladas, una de las más utilizadas es la impresión 3D por modelado por deposición fundida (FDM), que es una técnica de tecnología avanzada controlada por el ordenador de prototipo rápido (PR). Gracias a esta técnica avanzada, es posible producir piezas constituidas de materiales porosos a través del método de fabricación de capas [5]. El PR de impresión 3D se caracteriza porque, generalmente, comprende el diseño del modelo usando un software de diseño 3D, el cual se expresa en una serie de laminaciones o capas. De esta forma, la impresora 3D reproduce el diseño capa a capa, una encima de otra, hasta obtener el modelo completo. El prototipo rápido FDM tiene ventajas como el perfecto control de la arquitectura de la matriz (forma, tamaño, ramificación, geometría, interconectividad y orientación) produciendo una estructura biomimética, que varía en diseño y composición según el material utilizado.

En esta publicación se muestra la relevancia de la impresión 3D, más concretamente, conceptos básicos en el manejo de la impresión 3D por modelado por deposición fundida y aplicaciones avanzadas como la impresión 3D de soportes porosos (scaffolds en inglés) para ingeniería tisular.

etapas PRINCIPALES EN LA impresión 3D por FDM

Como esquema general, la impresión 3D por FDM empieza con el diseño virtual de la pieza que se quiere imprimir. Para ello, se utiliza un software CAD (diseño asistido por computadora) y se obtiene un archivo en formato “.stl”. Algunos de los softwares más utilizados son: FreeCAD, Autodesk Inventor o Tinkercad. A continuación, con un programa de corte o laminación se procesa este archivo “.stl” para convertir el diseño en instrucciones específicas para la impresora, de modo que estar pueda “entender” el diseño. Además, se añaden las especificaciones necesarias para poder imprimir la pieza, como velocidad de impresión, tamaño del hilo de impresión, temperatura necesaria, altura de las capas, etc. En este caso, los programas más comunes que se utilizan son Slic3r y Cura, que son de libre acceso. Así, se obtiene un archivo con formato “.gcode”, que ya puede ser procesado por la impresora para obtener la pieza [6]. En la figura 1, se muestra un esquema general del proceso de impresión 3D por FDM.

Fig. 1. Esquema general del proceso de impresión 3D por FDM con sus etapas principales. Fuente: elaboración propia.

La norma ISO / ASTM 52901: 2017 – Additive Manufacturing – General Principles define los principios generales, especifica los requisitos y brinda pautas y aplicabilidad para su uso como base para obtener piezas hechas a través de la fabricación aditiva, incluida la FDM.

Funcionamiento de una impresora 3D POR fdm

La técnica de impresión 3D por FDM consiste en la deposición capa por capa de material polimérico fundido, una encima de otra, hasta completar la pieza diseñada. Es decir, consiste en la utilización de un filamento polimérico, que se encuentra en una bobina, y se funde, a medida que va pasando por el extrusor, cuando alcanza el punto de fusión [7]. El extrusor se desplaza en los ejes X e Y con el fin de ir dando forma a cada una de las capas que se van formando. A su vez, la cama se mueve en el eje Z, descendiendo un nivel cada vez que se ha formado una nueva capa.

Más concretamente, el extrusor es la pieza donde se produce el calentamiento del filamento hasta la temperatura de fusión para poder formar la pieza diseñada, proceso también denominado de extrusión. Esta parte de la impresora 3D consta a su vez de una serie de componentes, como el motor de extrusión, encargado de proporcionar la potencia para arrastrar el filamento y fundirlo para poder depositarlo capa a capa en la cama, es decir, el lugar de la impresora 3D donde la pieza se deposita que puede estar calefactado o no. Además, la impresora 3D consta de una polea y una palanca, que, gracias a sus dientes, presionan el filamento y lo arrastran hasta la punta del extrusor (o hot-end en inglés). Así mismo, el sistema dispone de un ventilador, que permite refrigerar el extrusor, y del tubo de Fibonacci, que se encuentra en la entrada del extrusor e impide que se produzcan roturas en el filamento. Por último, en la salida, como se ha comentado, se encuentra el hot-end, que es la pieza encargada de fundir el material polimérico para poder extrudirlo [8] (véase figura 2).

Fig. 2. Esquema básico del funcionamiento de una impresora 3D por modelado por deposición fundida. Fuente: elaboración propia.

El extrusor se encuentra colocado en un carro que permite que se mueva en las direcciones X e Y. De esta manera, a medida que va generándose la pieza, el extrusor se mueve para ir dando forma al diseño.

La otra gran parte importante de la impresora es la base de impresión o cama, que consta de un cristal grueso que sirve de soporte para la impresión y suele ser de forma cuadrada o rectangular. Existen dos tipos de bases de impresión: frías o calientes. Las bases de impresión calientes, también denominadas camas calientes, están calefactadas para poder alcanzar cierta temperatura con el fin de que la diferencia entre el hot-end y la cama de impresión no sea tan grande cuando el material fundido caiga sobre ella. De esta manera, se puede evitar que se produzcan imperfecciones como las roturas en la pieza impresa por el cambio de temperatura, o el conocido como warping en inglés, que se produce cuando la primera capa de una pieza se deforma y se despega de la cama de impresión [9]. El warping suele producirse sobre todo en las piezas grandes porque hay diferencias térmicas más significativas que hacen que las piezas acaben despegándose por las esquinas.

Tipos de filamentos

A continuación, se exponen algunos ejemplos de tipos de filamentos utilizados en la impresión 3D por FDM, como son el ácido poliláctico (PLA), el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), el polivinil alcohol (PVA), el elastómero termoplástico (TPE), el policarbonato (PC) y el ácido poliláctico con grafeno (figura 3).

Fig. 3. Ejemplo de tipos de filamentos disponibles: a) elastómero termoplástico; b) ácido poliláctico con grafeno; c) PLA; d) PVA; e) policarbonato. Fuente: elaboración propia.

Ácido poliláctico

El PLA es un plástico biodegradable que proviene de la fermentación de cultivos como el maíz o la patata [10]. Se imprime a una temperatura de 220 ºC y no necesita cama caliente. Es duro y fuerte, aunque no es muy resistente [11]. No es tóxico. Debido a todas sus propiedades, las aplicaciones que posee son infinitas, incluida su utilización para aplicaciones avanzadas como la ingeniería tisular [12] y en biosensores [13].

Acrilonitrilo butadieno estireno

El ABS fue uno de los primeros materiales que se desarrolló para la impresión 3D. Es resistente al desgaste, al impacto, soporta grandes temperaturas y tiene un bajo coste [10]. El gran inconveniente de este material es que se funde a temperaturas entre 240-250 ºC, por lo que necesita cama caliente para evitar problemas de warping y, además, proviene del petróleo. Al igual que con el PLA, posee muchas aplicaciones como la fabricación de microdispositivos [14] y microfluidos [15].

Polivinil alcohol

El PVA es material hidrosoluble, es decir, se disuelve al estar en contacto con el agua. Se imprime a temperatura parecida al PLA (~ 220 ºC) por lo que se suele utilizar como soporte, para después poder disolverlo con facilidad [10]. Además, gracias a sus propiedades, posee otras aplicaciones como su uso para poder hacer “maquetas” dentales [16]. El PVA se utiliza en gran medida en estado entrecruzado, en aplicaciones biomédicas como un hidrogel en la bioimpresión, es decir, la impresión 3D de biomaterial combinado con células en medicina regenerativa [17].

Elastómero termoplástico

El TPE es un material flexible que se deforma muy fácilmente, por lo que puede contrarrestar cualquier tipo de carga sobre él. Se imprime a 230 ºC y no es necesario el uso de cama caliente [18]. Debido a su gran flexibilidad, el filamento debe ir directamente enganchado al extrusor, sin pasar por el tubo de Fibonacci [19]. Sus características han hecho que este filamento revolucione la industria textil y, gracias a él, sea posible imprimir ropa [20]. También se han desarrollado plantillas ortopédicas de TPE [21].

Policarbonato

El PC es un material transparente que resiste muy altas temperaturas, ligeramente flexible y muy resistente al impacto[10]. El mayor inconveniente es que es necesario imprimirlo a más de 280 ºC, por lo que necesita una cama caliente a temperatura muy alta, entre 80-100 ºC. Pese a esta desventaja, su aplicación es cada vez mayor debido a sus excelentes propiedades. Se utiliza para aplicaciones ortopédicas, dentales [22] e ingeniería tisular [23].

Ácido poliláctico con grafeno

El grafeno es uno de los materiales que más recientemente se ha incluido en la impresión 3D. Debido a que el grafeno se utiliza en impresión 3D habitualmente mezclado en baja concentración con PLA, se imprime a una temperatura parecida al PLA, sobre 220 ºC. Sin embargo, en este caso es necesario el uso de cama caliente, debido a las propiedades específicas del grafeno. Su característica principal es su excelente conductividad térmica y eléctrica que proporciona filamentos conductores. Esta propiedad conductora de la electricidad le otorga la posibilidad de poder aplicar electricidad que estimule la proliferación o diferenciación celular en soportes porosos para ingeniería tisular [24]. Además, es más resistente que filamentos más comunes como el ABS o el PLA [25]. Entre sus aplicaciones, destacan las herramientas quirúrgicas [26], biomateriales neurogénicos [27], blindaje por inducción electromagnética [28], etc.

Tabla 1. Propiedades y aplicaciones más importantes de los filamentos de impresión 3D

Tº impresión

Pros

Contras

Aplicaciones

PLA

220 ºC [11]

Biodegradable [10], no es tóxico, bajo coste [11]

No muy resistente [11]

Ingeniería tisular [12], biosensores [13]

ABS

240-250 ºC [10]

Resistente [10]

Necesita alta temperatura y cama caliente, tóxico

Microdispositivos [14], biomedicina[15]

PVA

210-220 ºC [10]

Hidrosoluble, útil como soporte [10]

Le afecta mucho la humedad [10]

Soporte, maquetas dentales [16]

TPE

210 ºC [18]

Flexible [18]

No soporta la humedad [19]

Textil [20], plantillas ortopédicas [21]

PC

280 ºC [10]

Muy resistente a golpes y a altas temperaturas [10]

Necesita alta temperatura y cama caliente [10]

Dental, ortopédico [22], ingeniería tisular [23].

PLA/grafeno

220 ºC

Conductividad, resistente [25]Stereolithography (SLA

Necesita cama caliente, difícil de imprimir

Herramientas quirúrgicas [26], biomateriales neurogénicos [27], blindaje por inducción electromagnética [28]

Aplicaciones avanzadas de la impresión 3d

El rápido desarrollo de la impresión 3D ha hecho que cada vez sus aplicaciones sean mayores. Debido a que los filamentos están constituidos de polímeros que presentan con frecuencia propiedades excelentes de biocompatilidad, la impresión 3D presenta gran potencial para ser utilizada en aplicaciones biomédicas. Además de su biocompatibilidad, otras características que hacen ideal su aplicación como biomateriales son, entre otras, su buen comportamiento mecánico y estructural [29]. Todas estas propiedades confieren a los materiales desarrollados que la impresión 3D sea ideal para fabricar scaffolds que actúan como matriz extracelular (ECM) artificial en la ingeniería de tejidos (figura 4).

Fig. 4. Impresión de un scaffold de PVA mediante impresión 3D por FDM. Fuente: elaboración propia.

En este caso, el papel de los biomateriales es proporcionar un soporte celular 3D que controle y guíe la regeneración localizada del tejido proporcionando microambientes celulares potencialmente controlables similares a los in vivo [30]. Los scaffolds se utilizan como soportes para el crecimiento de tejido óseo, cartílago, ligamentos, piel, vasos sanguíneos, nervios y músculo [31]. Cuando los scaffolds son biodegradables, estos soportes porosos permiten que el material se desintegre al mismo tiempo que se va generando nuevo tejido y así poder producir por bioingeniería incluso órganos completos [32].

Las tecnologías tradicionales no tienen la habilidad de incorporar arquitectura interna y controlar la porosidad de los scaffolds. Sin embargo, con la impresión 3D por modelado de deposición fundida es posible controlar el tamaño y la distribución de los poros [33]. Asimismo, gracias a la tecnología 3D es posible reproducir las propiedades mecánicas necesarias para poder favorecer la regeneración tisular [34]. Para la fabricación de scaffolds por impresión 3D, se mezclan diferentes biomateriales con el fin de conseguir aprovechar las mejores propiedades de cada uno de ellos. Por ejemplo, Lee et al. desarrollaron un scaffold, con la tecnología de impresión por modelado de deposición fundida, de hidroxiapatita y policaprolactona (PCL). Este scaffold, que favorece la regeneración ósea, se probó en conejos, favoreciendo la regeneración del cartílago, el cual tenía propiedades histológicas comparables a las del cartílago normal [35]. Además, dependiendo del tipo de aplicación, el scaffold diseñado puede requerir propiedades físico-químicas específicas, como biodegradabilidad o propiedades mecánicas; y propiedades morfológicas, como topología de superficie, tamaño del poro, etc., para mimetizar el ambiente celular in vivo según la aplicación concreta de regeneración [36]. La mayoría de los biomateriales empleados en impresión 3D se pueden utilizar para la liberación de biomoléculas como antibióticos, factores de crecimiento, biometales, etc. [37]. Esta ventaja supone un gran avance en la industria farmacéutica, dado que la liberación controlada de fármacos permite la continua administración de un fármaco de forma eficaz [38]. La impresión 3D ha permitido el desarrollo de implantes capaces de liberar incluso tres tratamientos diferentes (captopril, nifedipina, glipizida) de forma dosificada [39]. Por otra parte, gracias a los avances que se han ido produciendo en la tecnología de la impresión 3D, es posible crear organoides y modelos de laboratorio altamente complejos de bioingeniería producidos por bioprinting [40]. Mediante la bioimpresión, muchos laboratorios han creado modelos biológicamente funcionales compuestos por una amplia variedad de tejidos como neuronas [41], riñón [42], músculo esquelético [43], hígado [44], etc.

Por último, cabe mencionar que a pesar de que la mayoría de las herramientas quirúrgicas sirven para una amplia variedad de pacientes, algunas operaciones pueden requerir la utilización de instrumentos más singulares [45]. De esta manera, gracias a la unión de los avances en las tecnologías radiológicas, para poder tomar imágenes de la anatomía del paciente, y los avances en la tecnología de impresión 3D es posible obtener herramientas personalizadas de una forma más controlada y simplificada [46]. El hecho de poder fabricar herramientas quirúrgicas eficaces con la impresión 3D también favorece a los países subdesarrollados, pues puede conseguir reducir el coste hasta diez veces [47].

Conclusiones

La impresión 3D ha sido pronosticada como la futura revolución industrial. Esta tecnología posee bajo coste de los materiales y características únicas como la capacidad precisa de diseño, su alta reproducibilidad, que permite poder realizar duplicados y poder obtener el diseño de un prototipo pudiendo cambiar muy fácilmente su color, forma, tamaño, estilo o material. Dentro de la impresión 3D, la técnica del modelado por deposición fundida (FDM) es la técnica más comúnmente utilizada. Dentro de la biomedicina, se está utilizando la impresión 3D por FDM para la fabricación de scaffolds que favorecen la regeneración tisular de todo tipo de tejido. Además, la impresión 3D de órganos, conocida como bioimpresión, está avanzando a un elevado ritmo augurando un futuro muy prometedor para el ser humano. Por este motivo, muchos grupos de investigación de todo el mundo están trabajando para poder superar todas las limitaciones que supone la creación de tejidos y órganos completos donde debe haber un equilibrio entre proporcionar un soporte estructural al modelo impreso y la creación de un entorno viable para las células que varía según la aplicación biomédica.

AGRADEcimientos

Los autores agradecen a la Fundación Universidad Católica de Valencia San Vicente Mártir su apoyo económico a través de los proyectos 2019-231-001UCV y 2020-231-001UCV (otorgados a Á. S-A.).

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