Obtienen huesos artificiales en 3D con materiales sostenibles para planificar operaciones quirúrgicas más seguras

Un equipo del Instituto de Investigación e Innovación en Ciencias Biomédicas de la Provincia de Cádiz (INIBICA) y la Universidad de Cádiz (UCA) ha diseñado huesos artificiales a partir de ácido poliláctico (PLA), un compuesto natural procedente de materia orgánica como el almidón de maíz o la caña de azúcar que sustituye al plástico. Con estas réplicas, los profesionales médicos disponen de piezas ilimitadas que pueden aplicar en la planificación de operaciones, en el entrenamiento de futuras intervenciones quirúrgicas, así como en la atención médico-paciente. 

Para ello, han empleado tecnología de deposición fundida, que consiste en recrear una pieza concreta capa a capa mediante la fusión de filamentos plásticos hasta su completa composición. Así lo explican en un estudio titulado ‘Comparative study of biomodels manufactured using 3D printing techniques for surgical planning and medical training’ y publicado en la revista Expert Review of Medical Devices, donde demuestran además una alta precisión de este termoplástico de bajo coste. 

En este sentido, los expertos han comprobado la validez de este material sostenible desde un punto de vista económico y medio ambiental. “Su uso como filamento para impresión 3D es barato y estamos estudiando su capacidad biodegradable y su uso compatible con el organismo”, comenta a la Fundación Descubre Miguel Suffo, investigador de la Universidad de Cádiz y coautor del estudio.

Equipo de investigadores del INIBICA y la UCA que han trabajado en este proyecto. Imagen: Mario de la Cueva.

Según los expertos, estos biomodelos se fabrican según las necesidades de casos reales y permiten al médico planificar o practicar una intervención con mayor seguridad y garantías e incluso adaptar el material que previsiblemente se va emplear durante la cirugía. Estas recreaciones también mejoran la comunicación con el paciente, explicándole el diagnóstico o lesión detectada sobre el propio hueso artificial e incluso fabricar prótesis e implantes.

Huesos sintéticos, idénticos al tacto

Una ventaja principal del uso de esta tecnología es el háptica que proporciona al médico, es decir, la ciencia del tacto. “Buscamos que tanto el material como las características de la réplica sean lo más parecidas posible al hueso real. A los profesionales médicos que trabajamos con ellos nos aporta mucha información antes e incluso durante su uso, ya sea desde una consulta clínica hasta una operación: desde el grado de fuerza que se debe ejercer sobre el hueso hasta, la resistencia que puede presentar”, explica el investigador del Hospital Puerta del Mar de Cádiz y autor principal de este trabajo, Pablo Andrés Cano.

Los ingenieros aplicaron la tecnología de deposición de filamentos fundidos (FFF). Imagen: Mario de la Cueva.

Los expertos crearon tres modelos anatómicos digitales diferentes del hueso humano más largo de todo el cuerpo: el fémur. Tomaron como referencia una tomografía computarizada, prueba diagnóstica más conocida como TAC que utiliza rayos X para obtener imágenes del cuerpo desde diferentes ángulos. En concreto, recrearon el fémur de un hombre joven que presentaba una fractura en esta zona concreta.

Durante la impresión en 3D, ingenieros del departamento de Ingeniería Mecánica y Diseño Industrial de la Universidad de Cádiz aplicaron la tecnología de deposición de filamentos fundidos (FFF), un proceso de fabricación aditiva que deposita un material termoplástico capa por capa para construir una pieza independientemente de su morfología. “Con este tipo de tecnología se obtienen componentes rígidos, duraderos y de gran precisión dimensional, ya que en muchos casos su forma es complicada”, puntualiza Suffo.

Tras modificar los parámetros de impresión simulando tejidos que pudieran aparecer alrededor del hueso, lo compararon con un modelo sintético comercial. Realizaron una serie de ensayos de práctica quirúrgica a ciegas realizados por especialistas de varios hospitales andaluces. “Queríamos comprobar si los profesionales médicos notaban alguna diferencia notable entre la impresión comercial y las que diseñamos nosotros”, matiza Pablo Andrés.

Los expertos crearon tres modelos anatómicos digitales diferentes del hueso humano más largo de todo el cuerpo: el fémur. Imagen: Mario de la Cueva.

Las evaluaciones de los médicos que participaron en las diferentes pruebas fueron positivas y estadísticamente significativas. “Su testeo ha demostrado que estas reproducciones pueden ser un método fiable con el que los profesionales pueden perfeccionar técnicas a la hora de planificar una operación con la consiguiente reducción de tiempo y riesgos para el paciente, y también sirve de apoyo a la formación médica”, asegura el responsable del estudio.

Hacia una economía circular

En paralelo, este equipo de investigación estudia cómo reducir y reutilizar el consumo de plásticos en la fabricación mediante impresión de estas piezas óseas en 3D. “En un hospital se generan diariamente una gran cantidad de residuos. Algunos son más sostenibles e incluso otros son biodegradables, pero también existen materiales que son más contaminantes. Nuestra intención es reutilizar residuos plásticos que con su debido tratamiento permita imprimir huesos artificiales y al mismo tiempo, fabricar estas réplicas con otros materiales respetuosos con el medio ambiente”, plantea este experto.

Las evaluaciones de los médicos que participaron en las diferentes pruebas fueron positivas y estadísticamente significativas. Imagen: Mario de la Cueva.

Tras este trabajo, los expertos están centrados en perfeccionar la técnica para conseguir que el hueso se asemeje aún más a uno real. “La obtención de una réplica ósea artificial idéntica a una natural no es una tarea sencilla porque intervienen otros compuestos como la parte blanda de los músculos, la sangre… y para eso todavía se necesita más investigación”, concreta Pablo Andrés.

Este estudio de investigación ha contado con financiación del Ministerio de Ciencia, Innovación e Universidades, fondos propios del INIBICA y la Universidad de Cádiz. 

Reportaje sobre esta nota de prensa: De la impresora al quirófano: huesos en 3D con materiales sostenibles para planificar operaciones quirúrgicas

Referencias

Requena Pérez, M. V., Andrés Cano, P., Galán-Romero, L., y Suffo, M.: ‘Comparative study of biomodels manufactured using 3D printing techniques for surgical planning and medical training’. Expert Review of Medical Devices. (2024), 21(3), 239–248.

Más información: