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3D and 4D Bioprinting: Additive Manufacturing of Smart Biodegradable Hydrogels

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De las proteínas a los plásticos que cambian de forma

Un nuevo método de impresión tridimensional aprovecha las propiedades de las proteínas para fabricar bioplásticos que cambian de forma a demanda. Estos materiales innovadores son ideales para implantes y endoprótesis.

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Los materiales plásticos son duraderos y ligeros y tienen numerosas aplicaciones en la industria sanitaria, automovilística y aeronáutica, así como en el sector del envasado. Sin embargo, menos del 10 % del plástico que se produce se recicla, lo que aumenta la contaminación ambiental. Por lo tanto, se necesitan plásticos de origen biológico que puedan reciclarse o degradarse después de cumplir su función. Esto reduciría la dependencia de los combustibles fósiles y contribuiría a que los materiales tuvieran un ciclo de vida sostenible.

Una estrategia innovadora para los bioplásticos a base de proteínas

A fin de abordar esta cuestión, el equipo del proyecto 4D-Biogel, financiado con fondos europeos, fabricó materiales plásticos con polímeros de origen biológico y biodegradables. La investigación se llevó a cabo con el apoyo de las Acciones Marie Skłodowska-Curie (MSCA, por sus siglas en inglés). «Se han desarrollado materiales a base de proteínas que emulan funciones biológicas y no biológicas, en particular características físicas como la resistencia mecánica», explica Haritz Sardon, beneficiario de una beca de investigación de las MSCA. La innovación detrás de la estrategia de 4D-Biogel es que los investigadores aprovecharon la capacidad de despliegue de las proteínas. Utilizando el calor y el agua como estímulos, fueron capaces de cambiar la forma de los materiales resultantes dándoles plasticidad y elasticidad. Los cambios espacio-temporales conexos de los materiales los dotaron de una cuarta dimensión: el tiempo.

La albúmina sérica como nuevo componente bioplástico

Para superar las limitaciones de procesabilidad y rendimiento mecánico, los investigadores fabricaron una resina a base de albúmina sérica bovina (ASB). La ASB es una proteína muy abundante y barata que podría imprimirse fácilmente para generar bioplásticos con propiedades útiles. Se consiguieron geometrías tridimensionales (3D) de alta resolución de materiales basados en proteínas utilizando la estereolitografía de escaneo láser, un tipo de impresión 3D. Este método utiliza la luz para reticular químicamente las resinas proteicas. El equipo descubrió que la ASB conservaba su conformación globular original en las construcciones bioplásticas impresas en 3D. Curiosamente, estas proteínas contenían una longitud almacenada que podía desplegarse tras la estimulación. Este comportamiento de cambio de forma podría invertirse calentando los objetos o sumergiéndolos en agua, lo que les permitiría volver a su forma original impresa en 3D. Los investigadores dieron un paso más para combinar estos bioplásticos con nanopartículas de oro, que tienen la capacidad de transformar la luz infrarroja cercana no invasiva en calor y cambiar la forma de los bioplásticos. «Se espera que esto tenga un efecto a largo plazo en la aplicación de estos materiales en el cuerpo, ya que ahora podemos generar esta transformación con una fuente de luz no invasiva y altamente penetrante», subraya Sardon.

Hacia una fabricación por adición más ecológica

La impresión 3D de objetos producidos industrialmente se conoce como fabricación por adición y emplea el diseño asistido por ordenador para depositar el material capa a capa según el modelo 3D proporcionado. A pesar de lo prometedor de la fabricación por adición, existen problemas de sostenibilidad que deben abordarse. El uso de biomoléculas como base de las resinas y las tintas facilitará el reciclaje y aumentará la sostenibilidad de la fabricación por adición. Los resultados de 4D-Biogel contribuyen significativamente a la fabricación por adición ecológica mediante resinas de origen biológico con propiedades mecánicas comparables a las de los plásticos comerciales. Es importante destacar que el comportamiento de cambio de la forma de los bioplásticos a base de proteínas podrá aplicarse en la fabricación de productos sanitarios como implantes y endoprótesis. La naturaleza dinámica de estas estructuras también puede utilizare en otros campos, como la robótica y la bioelectrónica.

Palabras clave

4D-Biogel, proteínas, bioplásticos, fabricación por adición, ASB, impresión 3D, cambio de forma, biodegradable, albúmina sérica bovina

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