Maximiliano Michelle 
Andrés Díaz Lantada, IMDEA MATERIALES
Hablar de un material viviente puede sonar un poco extraño. Estamos acostumbrados al hormigón, el acero, los plásticos, el mármol o el aluminio, que claramente no están para nada vivos. Sin embargo, ya existen otros materiales, compuestos total o parcialmente por organismos como bacterias, algas, hongos o células, que tienen la capacidad de responder activamente a su entorno, autorregenerarse e incluso realizar funciones biológicas.
Y aún vamos un paso más allá: estamos generando materiales a partir de células vivas que sirven como matriz estructural o ‘andamio’. Son la intersección entre lo vivo y lo inerte.
Sus orígenes: la bioinspiración
La bioinspiración es uno de los principios más poderosos para potenciar la creatividad en el desarrollo de productos innovadores y en el descubrimiento de nuevos materiales.
Podemos pensar, por ejemplo, en el caso famoso del velcro, inventado por George de Mestral en 1941. Durante un viaje de caza de aves, De Mestral notó que los frutos de la bardana (Arctium lappa L) se adherían a su ropa y al pelo de su perro.
El ingeniero suizo examinó los frutos bajo un microscopio y descubrió que la planta de bardana tiene un sistema de ganchos capaces de engancharse a los lazos del tejido. Investigaciones y experimentos posteriores dieron lugar al sistema de sujeción más popular del mundo, que hoy conocemos como velcro.
Otro ejemplo fascinante son las palas de turbina bioinspiradas para generar energía eólica.
En un estudio publicado en The Royal Society, investigadores presentaron un nuevo tipo de turbina eólica bioinspirada con palas elásticas, que se deforman pasivamente debido a la carga aerodinámica y los efectos centrífugos.
Este enfoque se inspira en estudios sobre el vuelo de insectos y hojas de plantas flexibles, con capacidades elásticas para adaptarse a las condiciones del viento y optimizar así su rendimiento.
Estos son solo dos de los innumerables ejemplos que demuestran que, al observar la naturaleza, los científicos a menudo pueden encontrar soluciones a problemas humanos, y también inspiración para nuevos inventos.
La impresión 3D, 4D y los materiales bioinspirados
La bioinspiración ha sido un factor influyente a lo largo de toda la historia de la ingeniería, pero ha cobrado un protagonismo aún mayor con el desarrollo de tecnologías de fabricación aditiva. Las técnicas de impresión 3D y 4D han posibilitado la obtención de geometrías enormemente complejas –como lo son las geometrías de los seres vivos– mediante el procesamiento aditivo de múltiples materiales.
Los materiales bioinspirados imitan las características mecánicas y tribológicas, las estructuras jerárquicas, la multifuncionalidad, la apariencia estética y la capacidad de reparación de los materiales, tejidos, estructuras y sistemas presentes en los seres vivos.
Este tipo de materiales y dispositivos permiten una mayor complejidad geométrica respecto a la alcanzable con procesos productivos tradicionales no aditivos, y al mismo tiempo su diseño permite una estructura funcional más sencilla.
Un claro ejemplo de materiales biológicos que integran esas características e inspiran a los investigadores es el nácar o madreperla, presente en algunas conchas marinas. Esta estructura natural está formada por una organización jerárquica de capas microscópicas que combinan dureza y resistencia al impacto.
Su complejidad geométrica le confiere una multifuncionalidad excepcional: protege al organismo, distribuye las tensiones mecánicas de forma eficiente y ofrece una superficie resistente al desgaste.
Inspirándose en el nácar, han desarrollado materiales compuestos a través de la impresión 3D que imitan su estructura en capas. Así es posible crear recubrimientos y componentes fuertes y ligeros, que también pueden tener propiedades térmicas y biológicas, como la resistencia a la corrosión o la biocompatibilidad.
El fin último de estos materiales bioinspirados es llegar a la sencillez a través de la complejidad geométrica.
IMDEA materiales
El comienzo de los materiales vivientes
Un paso más allá van los materiales vivientes, que integran células eucariotas o procariotas. Las propias células vivas producen una matriz estructural o “andamio”.
El concepto fue introducido por el investigador de Harvard Peter Q. Nguyen y colaboradores en 2018, en su estudio “Ingeniería de materiales vivientes: perspectivas y retos del uso de sistemas biológicos para dirigir el ensamblaje de materiales inteligentes”.
El desarrollo de los materiales vivientes es una consecuencia directa de la convergencia de investigaciones en ámbitos emergentes como la ingeniería de tejidos y la biofabricación, los robots, máquinas y dispositivos biohíbridos.
Hay que añadir a la lista los bio-MEMS/NEMS (dispositivos microscópicos y nanoscópicos, respectivamente, diseñados para interactuar con sistemas biológicos) y la botánica constructiva o “Baubotanik”, arquitectura que integra plantas vivas directamente en la estructura de edificios y construcciones.
En estos materiales, las entidades vivientes se pueden convertir en microfábricas de material, en generadores miniaturizados de energía y en sensores o actuadores con una especificidad y sensibilidad sin precedentes, añadiendo funcionalidades adicionales a los ya clásicos materiales inteligentes.
En cierto modo, es el complemento perfecto para los materiales bioinspirados y los materiales inteligentes: las tres líneas están conectadas.
Aplicaciones en medicina
No podemos hablar de estos materiales sin resaltar sus destacadas aplicaciones en medicina. En el proyecto europeo INKplant, por ejemplo, nuestro equipo de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) ha trabajado aplicando estrategias de diseño bioinspirado para fabricar prótesis e implantes avanzados, con estructuras jerárquicas, gradientes funcionales y combinando múltiples materiales.
Así, hemos diseñado y fabricado prototipos para problemas articulares y osteocondrales –implantes de cadera, meniscos artificiales y reconstrucciones de la tibia– y para patologías maxilofaciales –reconstrucciones de mandíbula e implantes dentales–, entre otros casos de estudio.
En lo que respecta a los materiales vivientes, desde la UPM y en colaboración con investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe e IMDEA Materiales, hemos contribuido a definir este prometedor ámbito de investigación.
Nuestro trabajo se ha centrado también en desarrollar estructuras compatibles con el crecimiento celular, utilizando materiales como el carbono pirolítico en el diseño de microestructuras dinámicas para el crecimiento 3D de tejido muscular, y en explorar nuevas formas de simular y caracterizar su comportamiento.
Además, junto a expertos en ética y filosofía de las universidades de Aalborg y Freiburg, hemos comenzado a reflexionar sobre las implicaciones sociales y éticas de estas tecnologías emergentes, en un esfuerzo por entender mejor los límites entre lo vivo y lo inerte.
Los materiales bioinspirados y vivientes abren nuevas vías para resolver desafíos tecnológicos, sociales y medioambientales, pero también nos invitan a repensar nuestras propias definiciones de lo que es un material, de lo que significa estar vivo e, incluso, de cómo diseñamos nuevas tecnologías.
Al desdibujar los límites entre lo vivo y lo inerte, estos avances nos llevan hacia una ingeniería más integrada con la naturaleza, más eficiente e, idealmente, más sostenible.
Andrés Díaz Lantada, Profesor en la Universidad Politécnica de Madrid e Investigador Senior en el Instituto IMDEA Materiales en el área de Materiales Bioinsipirados, Inteligentes y Vivientes, IMDEA MATERIALES
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.
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Author: viajes24horas
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Fuente: republicadominicana24horas.net
