Los neurocirujanos suelen practicar las operaciones antes de entrar al quirófano, con modelos basados en lo que saben del cerebro de un paciente.
Pero los modelos actuales tienen limitaciones, como una sensación táctil poco realista y una representación deficiente de los vasos sanguíneos, señalan dos ingenieros.
Aquí explican una nueva técnica de impresión 3D que utiliza silicona para fabricar réplicas más blandas y precisas.
Una nueva técnica de impresión 3D con silicona permite crear modelos precisos de los vasos sanguíneos del cerebro y que los neurocirujanos se entrenen con simulaciones más realistas antes de operar, según nuestra investigación publicada recientemente.
Muchos neurocirujanos practican cada operación antes de entrar al quirófano, con modelos basados en lo que saben del cerebro del paciente. Pero los modelos que utilizan actualmente para entrenarse no reproducen bien los vasos sanguíneos reales. Ofrecen una respuesta táctil poco realista, carecen de detalles estructurales pequeños pero importantes y a menudo omiten componentes anatómicos enteros que determinan cómo se llevará a cabo cada procedimiento. Las réplicas realistas y personalizadas del cerebro de los pacientes para las simulaciones preoperatorias podrían reducir los errores en las intervenciones quirúrgicas reales.
Sin embargo, la impresión 3D podría producir réplicas con la suavidad al tacto y la precisión estructural que necesitan los cirujanos.
Por lo general, se entiende la impresión 3D como un proceso que consiste en depositar capa tras capa de plástico fundido, que se solidifica a medida que se construye una estructura autoportante. Por desgracia, muchos materiales blandos no se funden ni se vuelven a solidificar como el filamento plástico que suelen emplear las impresoras 3D. Con materiales blandos como la silicona solo se tiene una oportunidad: hay que imprimirlos en estado líquido y luego solidificarlos de forma irreversible.
Dar forma a líquidos en 3D
¿Cómo se crea una forma 3D compleja a partir de un líquido sin acabar con un charco o una masa que se desmorona?
Los investigadores desarrollaron un método general llamado impresión 3D integrada con este fin. Con esta técnica, la «tinta» se deposita dentro de un baño de un segundo material de soporte, diseñado para fluir alrededor de la boquilla de impresión y mantener la tinta en su sitio justo después de que la boquilla se aleja. Esto permite crear formas complejas a partir de líquidos, manteniéndolos atrapados en el espacio tridimensional hasta que llega el momento de solidificar la estructura impresa. La impresión 3D integrada ha resultado eficaz para estructurar una variedad de materiales blandos como hidrogeles, micropartículas e incluso células vivas.
Sin embargo, la impresión con silicona sigue siendo difícil. La silicona líquida es un aceite, mientras que la mayoría de los materiales de soporte son acuosos. El aceite y el agua presentan una elevada tensión interfacial, que es la fuerza que hace que las gotas de aceite adopten formas circulares en el agua. Esta fuerza también deforma las estructuras de silicona impresas en 3D, incluso dentro de un medio de soporte.
Peor aún, estas fuerzas interfaciales hacen que las estructuras de silicona de diámetro pequeño se rompan en gotas durante la impresión. Se ha investigado mucho para crear materiales de silicona que puedan imprimirse sin soporte, pero estas modificaciones importantes también alteran propiedades que interesan a los usuarios, como la suavidad y elasticidad de la silicona.
Impresión 3D de silicona con AMULIT
Como investigadores que trabajamos en la intersección de la física de la materia blanda y la ingeniería mecánica y la ciencia de los materiales, decidimos abordar el problema de la tensión interfacial desarrollando un material de soporte hecho de aceite de silicona.
Razonamos que la mayoría de las tintas de silicona serían químicamente similares a nuestro material de soporte de silicona, lo que reduciría considerablemente la tensión interfacial, pero también lo bastante distintas como para permanecer separadas al mezclarlas para la impresión 3D. Creamos muchos materiales de soporte candidatos, pero descubrimos que la mejor opción era elaborar una emulsión densa de aceite de silicona y agua. Puede imaginarse como una mayonesa cristalina, compuesta de microgotas de agua compactadas en una fase continua de aceite de silicona. Llamamos a este método fabricación aditiva con tensión interfacial ultrabaja, o AMULIT.
Con nuestro medio de soporte AMULIT, pudimos imprimir silicona comercial con alta resolución y crear estructuras de apenas 8 micrómetros (unos 0,0003 pulgadas) de diámetro. Las estructuras impresas son tan elásticas y duraderas como sus equivalentes moldeadas de forma tradicional.
Estas capacidades nos permitieron imprimir en 3D modelos precisos de los vasos sanguíneos del cerebro de un paciente a partir de un escaneo 3D, así como un modelo funcional de válvula cardíaca basado en la anatomía humana promedio.
Impresión 3D de silicona en la atención sanitaria
La silicona es un componente fundamental de innumerables productos, desde bienes de consumo cotidianos, como utensilios de cocina y juguetes, hasta tecnologías avanzadas en los sectores de la electrónica, la aeronáutica y la atención sanitaria.
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Mediante un diálogo de confianza y la colaboración público-privada, el Centro permite que sus socios se alineen en torno a prioridades comunes y promuevan la acción colectiva para mejorar los resultados de salud.
Los productos de silicona suelen fabricarse vertiendo o inyectando silicona líquida en un molde y retirando la pieza una vez solidificada. El coste y la dificultad de fabricar moldes de alta precisión limitan a los fabricantes a productos con solo unos pocos tamaños, formas y diseños predeterminados. Retirar de los moldes estructuras delicadas de silicona sin dañarlas supone otra dificultad, y los defectos de fabricación aumentan al moldear estructuras muy complejas.
Superar estos desafíos podría permitir desarrollar tecnologías avanzadas basadas en silicona para el sector de la atención sanitaria, donde los implantes personalizados o las réplicas de estructuras fisiológicas específicas de cada paciente podrían transformar la atención.
