 |
| Concepte de pròtesi de genoll creat amb IA a partir d'una retícula inspirada en organismes vius. IMDEA materials, CC BY |
Parlar d'un material vivent pot sonar un poc estrany. Estem acostumats al formigó, l'acer, els plàstics, el marbre o l'alumini, que clarament no estan per a res vius. No obstant això, ja existixen altres materials, compostos totalment o parcialment per organismes com a bacteris, algues, fongs o cèl·lules, que tenen la capacitat de respondre activament al seu entorn, autoregenerar-se i fins i tot realitzar funcions biològiques.
I encara anem un pas més enllà: estem generant materials a partir de cèl·lules vives que servixen com a matriu estructural o ‘bastida’. Són la intersecció entre el viu i l'inert.
Els seus orígens: la bioinspiración
La bioinspiración és un dels principis més poderosos per a potenciar la creativitat en el desenrotllament de productes innovadors i en el descobriment de nous materials.
Podem pensar, per exemple, en el cas famós del velcro, inventat per George de Mestral en 1941. Durant un viatge de caça d'aus, De Mestral va notar que els fruits de la bardana (Arctium lappa L) s'adherien a la seua roba i a tomb del seu gos.
L'enginyer suís va examinar els fruits sota un microscopi i va descobrir que la planta de bardana té un sistema de ganxos capaços d'enganxar-se als llaços del teixit. Investigacions i experiments posteriors van donar lloc al sistema de subjecció més popular del món, que hui coneixem com a velcro.
Un altre exemple fascinant són les pales de turbina bioinspiradas per a generar energia eòlica.
En un estudi publicat en The Royal Society, investigadors van presentar un nou tipus de turbina eòlica bioinspirada amb pales elàstiques, que es deformen passivament a causa de la càrrega aerodinàmica i els efectes centrífugs.
Este enfocament s'inspira en estudis sobre el vol d'insectes i fulles de plantes flexibles, amb capacitats elàstiques per a adaptar-se a les condicions del vent i optimitzar així el seu rendiment.
Estos són només dos dels innombrables exemples que demostren que, en observar la naturalesa, els científics sovint poden trobar solucions a problemes humans, i també inspiració per a nous invents.
La impressió 3D, 4D i els materials bioinspirados
La bioinspiración ha sigut un factor influent al llarg de tota la història de l'enginyeria, però ha cobrat un protagonisme encara major amb el desenrotllament de tecnologies de fabricació additiva. Les tècniques d'impressió 3D i 4D han possibilitat l'obtenció de geometries enormement complexes –com ho són les geometries dels éssers vius– mitjançant el processament additiu de múltiples materials.
Els materials bioinspirados imiten les característiques mecàniques i tribológicas, les estructures jeràrquiques, la multifuncionalitat, l'aparença estètica i la capacitat de reparació dels materials, teixits, estructures i sistemes presents en els éssers vius.
Este tipus de materials i dispositius permeten una major complexitat geomètrica respecte a l'assolible amb processos productius tradicionals no additius, i al mateix temps el seu disseny permet una estructura funcional més senzilla.
Un clar exemple de materials biològics que integren eixes característiques i inspiren als investigadors és el nacre o madreperla, present en algunes petxines marines. Esta estructura natural està formada per una organització jeràrquica de capes microscòpiques que combinen duresa i resistència a l'impacte.
La seua complexitat geomètrica li conferix una multifuncionalitat excepcional: protegix l'organisme, distribuïx les tensions mecàniques de manera eficient i oferix una superfície resistent al desgast.
Inspirant-se en el nacre, han desenrotllat materials compostos a través de la impressió 3D que imiten la seua estructura en capes. Així és possible crear recobriments i components forts i lleugers, que també poden tindre propietats tèrmiques i biològiques, com la resistència a la corrosió o la biocompatibilitat.
La fi última d'estos materials bioinspirados és arribar a la senzillesa a través de la complexitat geomètrica.
El començament dels materials vivents
Un pas més enllà van els materials vivents, que integren cèl·lules eucariotes o procariotes. Les pròpies cèl·lules vives produïxen una matriu estructural o “bastida”.
El concepte va ser introduït per l'investigador d'Harvard Peter Q. Nguyen i col·laboradors en 2018, en el seu estudi “Enginyeria de materials vivents: perspectives i reptes de l'ús de sistemes biològics per a dirigir l'acoblament de materials intel·ligents”.
El desenrotllament dels materials vivents és una conseqüència directa de la convergència d'investigacions en àmbits emergents com l'enginyeria de teixits i la biofabricación, els robots, màquines i dispositius biohíbridos.
Cal afegir a la llista els bio-MEMS/NEMS (dispositius microscòpics i nanoscópicos, respectivament, dissenyats per a interactuar amb sistemes biològics) i la botànica constructiva o “Baubotanik”, arquitectura que integra plantes vives directament en l'estructura d'edificis i construccions.
En estos materials, les entitats vivents es poden convertir en microfàbriques de material, en generadors miniaturitzats d'energia i en sensors o actuadors amb una especificitat i sensibilitat sense precedents, afegint funcionalitats addicionals als ja clàssics materials intel·ligents.
En certa manera, és el complement perfecte per als materials bioinspirados i els materials intel·ligents: les tres línies estan connectades.
Aplicacions en medicina
No podem parlar d'estos materials sense ressaltar les seues destacades aplicacions en medicina. En el projecte europeu INKplant, per exemple, el nostre equip de la Universitat Politècnica de Madrid (UPM) ha treballat aplicant estratègies de disseny bioinspirado per a fabricar pròtesi i implants avançats, amb estructures jeràrquiques, gradients funcionals i combinant múltiples materials.
Així, hem dissenyat i fabricat prototips per a problemes articulars i osteocondrales –implants de maluc, meniscos artificials i reconstruccions de la tíbia– i per a patologies maxil·lofacials –reconstruccions de mandíbula i implants dentals–, entre altres casos d'estudi.
Pel que fa als materials vivents, des de la UPM i en col·laboració amb investigadors del Institut de Tecnologia de Karlsruhe e IMDEA Materials, hem contribuït a definir este prometedor àmbit d'investigació.
El nostre treball s'ha centrat també a desenrotllar estructures compatibles amb el creixement cel·lular, utilitzant materials com el carboni pirolític en el disseny de microestructures dinàmiques per al creixement 3D de teixit muscular, i a explorar noves maneres de simular i caracteritzar el seu comportament.
A més, al costat d'experts en ètica i filosofia de les universitats d'Aalborg i Freiburg, hem començat a reflexionar sobre les implicacions socials i ètiques d'estes tecnologies emergents, en un esforç per entendre millor els límits entre el viu i l'inert.
Els materials bioinspirados i vivents obrin noves vies per a resoldre desafiaments tecnològics, socials i mediambientals, però també ens conviden a repensar les nostres pròpies definicions del que és un material, del que significa estar viu i, fins i tot, de com dissenyem noves tecnologies.
En desdibuixar els límits entre el viu i l'inert, estos avanços ens porten cap a una enginyeria més integrada amb la naturalesa, més eficient i, idealment, més sostenible.
Andrés Díaz Lantada, Professor en la Universitat Politècnica de Madrid i Investigador Sènior en l'Institut IMDEA Materials en l'àrea de Materials Bioinsipirados, Intel·ligents i Vivents, IMDEA MATERIALS
Este article va ser publicat originalment en The Conversation. Llija el original.
* ho pots llegir perquè som Creative Commons