Valentine Ananikov, químico del Instituto Zelinsky de Química Orgánica de Moscú, lleva a cabo reacciones químicas tan delicadas que sólo un rastro de nanopartículas metálicas, más pequeñas que una bacteria, podría cambiar sus resultados. Por eso, cuando su laboratorio termina un experimento, es necesaria una limpieza rigurosa. O, al menos, solía serlo. En 2016, Ananikov empezó a crear recipientes de reacción desechables. Para ello, confía en una tecnología que ha capturado la imaginación de los hackers de bricolaje, ingenieros y científicos por igual: La impresión 3D.
En la impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, un modelo informático en 3D se transforma en un objeto físico capa a capa, como si se tratara de un pastel. El equipo de Ananikov utiliza esta tecnología para crear reactores químicos a medida en cuestión de días, en lugar de tener que esperar semanas o más para que los fabrique y envíe un proveedor externo. Y lo que es más importante, el coste de la impresión de plástico en 3D es tan bajo que el grupo puede permitirse tratar el equipo como si fuera un consumible que se usa una vez y luego se tira, sin necesidad de limpiarlo. Para los laboratorios de investigación que se ocupan de proyectos interdisciplinarios», dice Ananikov, «la impresión 3D es una especie de herramienta estándar hoy en día».
Las impresoras 3D han sido ampliamente adoptadas por los miembros de la «cultura maker» para la educación y la creación de objetos innovadores. Pero también se están convirtiendo cada vez más en equipos estándar en los laboratorios científicos. Los investigadores pueden utilizarlas para sustituir piezas de instrumentos rotos, construir soportes de muestras personalizados y modelar todo tipo de objetos, desde moléculas biológicas hasta rocas petrolíferas. Y los médicos pueden utilizarlos para crear implantes y modelos de enseñanza.
Los objetos pueden imprimirse en 3D utilizando varias tecnologías, pero una de las más extendidas es la fabricación de filamentos fundidos (FFF), también llamada modelado por deposición fundida. En las impresoras FFF, un filamento estrecho y coloreado -normalmente un hilo de plástico- se calienta y extruye, formando una forma capa por capa. En cambio, las antiguas impresoras de estereolitografía utilizan un tanque de resina líquida activada por la luz que se endurece con un láser para dar formas precisas. Las impresoras FFF tienden a producir objetos menos detallados que las de estereolitografía, pero son más fáciles y baratas de usar.
Las impresoras FFF comerciales pueden adquirirse por cientos o miles de dólares. O los investigadores pueden construir el hardware ellos mismos con kits o diseños del proyecto RepRap de código abierto por sólo unos cientos de dólares.
La impresión en 3D no es nueva: las impresoras de estereolitografía existen desde la década de 1980. Pero la caída de los precios ha hecho que la tecnología esté ampliamente disponible. A continuación, cuatro formas en las que los investigadores han aprovechado la impresión 3D.
Equipos sobre la marcha
Julian Stirling, físico de la Universidad de Bath (Reino Unido), forma parte de un equipo que ha diseñado microscopios de luz que pueden fabricarse con componentes de plástico impresos en 3D. La idea es construirlos sobre el terreno en Tanzania y utilizarlos para diagnosticar la malaria buscando parásitos en la sangre. En Tanzania escasean los mecánicos con conocimientos y los componentes locales para reparar los equipos científicos, dice, y la importación de componentes puede ser cara y llevar mucho tiempo. Al imprimir las piezas en 3D, los médicos y científicos locales pueden reparar sus microscopios de forma más rápida y barata. Una empresa local de Tanzania ha creado incluso impresoras FFF a partir de residuos electrónicos y otros materiales locales, añade.
Varios sitios web, como Thingiverse y MyMiniFactory, ofrecen foros para que los científicos compartan modelos informáticos de componentes imprimibles. Pero, según la experiencia de Stirling, los modelos de estos sitios suelen estar incompletos, ya que carecen de documentación para un proyecto concreto o de archivos clave para modificar los diseños. Por ello, su equipo crea sus construcciones desde cero, utilizando un lenguaje de programación de código abierto llamado OpenSCAD. Sus microscopios pueden imprimirse por completo en 3D, excepto la cámara, los motores y las lentes.
Cuando se trata de imprimir en 3D, es fácil cometer errores, dice Stirling. Pero como la tecnología es rápida y barata, es sencillo iterar los diseños. «Esta experiencia sólo puede acumularse mediante la prueba y el error», señala.
La práctica ha enseñado a Stirling que hay una gran diferencia entre utilizar una impresora 3D en el laboratorio y hacerlo sobre el terreno. Imprimir filamento de plástico en el clima húmedo de Tanzania suele ser más difícil que en un laboratorio con clima controlado, porque la humedad afecta al filamento de plástico, lo que hace que haya más impresiones fallidas. Además, los cortes de electricidad no son infrecuentes, y sólo algunas impresoras pueden reanudar la impresión de un objeto a medio terminar una vez que se restablece el suministro eléctrico. No hay mucho que Stirling y su equipo puedan hacer con respecto al clima, pero utilizan fuentes de alimentación ininterrumpida para garantizar que sus trabajos de impresión se ejecuten hasta el final, dice.
Órganos similares a los de la vida
Ahmed Ghazi, cirujano urológico del Centro Médico de la Universidad de Rochester, en Nueva York, utiliza la impresión 3D para crear órganos humanos no funcionales, que los cirujanos pueden utilizar para practicar la cirugía asistida por robots. Para procedimientos relativamente sencillos, como la extirpación de un bazo, hay poca necesidad de esta práctica. Pero las intervenciones más complejas, como la extirpación de un tumor, pueden variar mucho de un paciente a otro. Como señala Ghazi, «los tumores no aparecen en los libros de texto».
Ghazi comienza con escaneos de tomografía asistida por ordenador en 3D del tejido del paciente, luego introduce los datos en el software comercial de modelado médico Mimics, de Materialise en Lovaina (Bélgica), y en Meshmixer, una herramienta gratuita de Autodesk en San Rafael (California), para crear modelos en 3D. A continuación, imprime esos modelos como moldes de plástico huecos con una impresora FFF, inserta réplicas de vasos sanguíneos que se conectarán a una bomba de sangre falsa e inyecta el molde con un hidrogel que se solidificará en un objeto con una rigidez similar a la de un órgano. Las estructuras resultantes son lo suficientemente realistas como para que los cirujanos practiquen sus procedimientos con las consecuencias del mundo real, incluida la hemorragia.
Ghazi dice que él y su equipo utilizan estos modelos para hasta cuatro casos de cirugía a la semana. En cada caso, crean dos copias de los modelos y eligen la representación más exacta. Y están formando a otros médicos para que apliquen la tecnología en campos como la cirugía cardíaca y hepática. «Sin duda es algo que se está poniendo de moda», dice Ghazi.
Pero sigue habiendo imperfecciones. Los moldes producidos por las impresoras FFF a menudo presentan pequeñas crestas y hoyos, dice Ghazi. Estos defectos suelen ser demasiado pequeños para verlos a simple vista, pero son claramente visibles para la cámara robótica, lo que podría afectar a la experiencia del cirujano. La solución de Ghazi consiste en extender una capa de cera a temperatura ambiente sobre el interior del molde, que rellena las crestas y las hendiduras, alisando así el producto final. «Esas pequeñas cosas marcan la diferencia», dice.
Replicas de rocas
Para Mehdi Ostadhassan, ingeniero petrolero de la Universidad de Dakota del Norte en Grand Forks, la impresión 3D proporciona una herramienta para optimizar la extracción de petróleo y gas de la roca.
Ostadhassan imprime «rocas» utilizando programas como OpenSCAD y el software comercial de diseño asistido por ordenador AutoCAD (de Autodesk) en combinación con diversas impresoras 3D y materiales. Estos modelos de rocas tienen propiedades físicas realistas, incluidos poros minúsculos y detallados, y Ostadhassan los somete a tensión física para entender mejor cómo fluye el líquido a través de sus equivalentes en la vida real.
Para crear las rocas más realistas, Ostadhassan utiliza una serie de enfoques de impresión, incluida la tecnología de chorro aglutinante, en la que se aplica un agente aglutinante líquido capa por capa al polvo de yeso o a la arena de sílice. El proceso produce objetos con propiedades mecánicas muy parecidas a las de las rocas reales. Pero el polvo sin aglutinar también puede atascarse en los poros, dice Ostadhassan, lo que disminuye la calidad del producto final. Y para algunos experimentos, tiene que aplicar un tratamiento repelente al agua para conseguir la «humectabilidad» adecuada. Las impresoras de estereolitografía son mejores para imprimir rocas con poros detallados que permitan estudiar las propiedades del flujo de líquidos, pero los modelos que producen no son tan resistentes como las rocas impresas con chorro de tinta.
Por ello, Ostadhassan está colaborando con otros investigadores para desarrollar una impresora personalizada que pueda imitar esos poros y grietas, pero que siga produciendo modelos con la misma resistencia mecánica que las rocas reales.
Metal pesado
Las impresoras 3D actuales pueden producir una serie de materiales, pero no todos. «El material para la impresión 3D es muy, muy limitado», dice Yang Yang, director ejecutivo de UniMaker en Shenzhen, China, que fabrica impresoras 3D para uso científico. Pero la investigación en este ámbito es intensa y se avecinan cambios. Un área de gran crecimiento es la bioimpresión, para crear materiales biológicos estructurados. Jin-Ye Wang, científica biomédica de la Universidad Jiao Tong de Shanghai (China), afirma que su institución ha adquirido un dispositivo de este tipo para utilizarlo en el aula. Estas bioimpresoras mezclan células e hidrogeles para crear estructuras como huesos y modelos tumorales.
Otra área de crecimiento, dice Yang, son los metales. Las impresoras con capacidad para metales utilizan un haz de electrones o un láser para fundir polvos metálicos en patrones definidos. Jeremy Bourhill, físico de la Universidad de Australia Occidental en Perth que investiga la materia oscura, está estudiando el uso de impresoras 3D de metal basadas en láser para construir una malla de niobio superconductor. Esto podría utilizarse para bloquear fuertes campos magnéticos que interferirían con la detección de la materia oscura, dice Bourhill.
Utilizar el mecanizado convencional para crear la malla requeriría lubricantes tóxicos y desperdiciar una cantidad considerable de niobio, que es caro. Por ello, el equipo de Bourhill utiliza láseres de alta potencia para fundir y fusionar secciones transversales de polvo metálico. Pero como el punto de fusión del niobio es de unos 2.500 °C, el proceso requiere cantidades considerables de energía. «El niobio es un material realmente duro», dice Bourhill.
Hace tiempo, investigadores como Bourhill habrían visto limitadas sus opciones. Pero con el aumento de la disponibilidad de las impresoras 3D, se ha producido un cambio fundamental, dice Yusheng Shi, ingeniero de materiales de la Universidad Huazhong de Ciencia y Tecnología de Wuhan (China): la impresión 3D está permitiendo la fabricación personalizada, suplantando la fabricación centralizada. Como muestran estos ejemplos, los investigadores apenas han arañado la superficie de lo que pueden hacer con esa potencia.