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Estudios de caso de medicina

La impresión 3D ayuda a salvar vidas

Desde la lucha contra la diabetes a los “brazos mágicos” de la pequeña Emma, los profesionales de la medicina están utilizando la impresión 3D para ayudarles a salvar vidas y a mejorar la salud.

Conozca cómo los responsables de la atención sanitaria están innovando más rápidamente, cómo rompen barreras y consiguen hacer más por menos gracias a la impresión 3D.

La capacidad de fabricar prototipos rápidos in situ reduce el plazo de desarrollo de equipos médicos a la mitad y agiliza el lanzamiento al mercado

Pieza 1 de Biorep impresa en 3D

Biorep Technologies es un fabricante de equipos originales para el sector médico centrado principalmente en el desarrollo de dispositivos necesarios para encontrar una cura para la diabetes. Biorep está afiliada al prestigioso Diabetes Research Institute de Miami y se esfuerza en ofrecer equipos de aislamiento de islotes a un precio razonable para permitir el acceso a la tecnología al máximo de centros de investigación posible.

El director de ingeniería Felipe Echeverri y el ingeniero de I+D Andrés Bernal dirigen el equipo de diseño de Biorep. Desde la fundación de la compañía en 1995, han recurrido a un taller mecánico para el prototipado. Ocasionalmente, Biorep trabajaba con empresas de servicios para fabricar prototipos rápidos de pequeñas piezas para evaluar los diseños.

El creciente volumen de proyectos de prototipado rápido llevó a la búsqueda de una impresora 3D para uso interno.

En 2007 el equipamiento de Biorep se hizo más compacto y sofisticado, Echeverri y Bernal se vieron en la necesidad de subcontratar prototipos rápidos de piezas pequeñas cada vez con más frecuencia. El volumen llegó hasta un punto que empezaba a ser rentable incorporar internamente la tecnología de prototipado rápido.

“En aquella época Biorep no disponía de una forma económica de fabricar prototipos rápidos”, recuerda Echeverri. “Cuando subcontratábamos modelos impresos en 3D, solían resultar más caros que el coste de mecanizarlos internamente y el proceso no era mucho más rápido. Sabíamos que podríamos acelerar la productividad de nuestros diseños si tuviéramos la posibilidad de imprimir en nuestra oficina una pieza de la noche a la mañana. Así que comenzamos a evaluar sistemas de impresión 3D.”

La Objet Eden250 resultó elegida por su facilidad de uso y la calidad de los acabados

Pieza 2 de Biorep impresa en 3D

Los criterios de Biorep para un sistema de impresión 3D interno eran: precisión, facilidad de uso, requisitos de mantenimiento, acabado superficial y precio. “Con frecuencia utilizamos los prototipos rápidos para probar conceptos y comprobar el ajuste y la función antes de encargar la fabricación de herramientas de moldeado por inyección. Así que la precisión era muy importante–, señala Echeverri. “Pero también estimamos que podríamos fabricar el doble de prototipos si tuvieramos capacidad de hacerlo internamente y nuestro equipo es pequeño. Así que la facilidad de uso y la fiabilidad también eran cruciales.”

Biorep se decantó al final por la impresora 3D Objet Eden250, un sistema más pequeño que supone la puerta de entrada perfecta al mundo del prototipado rápido de alta calidad. Pone las ventajas líderes en el mercado de la tecnología patentada PolyJet™ de Objet al alcance de casi cualquier diseño u operación de fabricación. La Eden250 ofrece una solución completa para la creación precisa de cualquier geometría de forma fácil, rápida, limpia y económica. Los modelos fabricados en la Eden250 son suaves y duraderos, con detalles finos y un acabado superficial excepcional. Con su pequeño tamaño, este económico sistema utiliza un proceso completamente limpio que lo hace ideal para su uso en oficinas. A diferencia de otros sistemas de impresión 3D cabe por un pasillo normal, así que la instalación es sencilla y rápida.

“La Eden250 era perfecta para lo que necesitábamos”, explica Echeverri. “Es adecuada para la oficina, limpia, fácil de utilizar, fácil de mantener y permite generar piezas exactas con un excelente acabado superficial.”

La capacidad de fabricar prototipos rápidos in situ ha reducido en seis meses el desarrollo de productos nuevos

Pieza 5 de Biorep impresa en 3D

Echeverri explica que la Eden250 ha ayudado a su equipo a producir mejores diseños y ha acelerado el tiempo de comercialización de los productos nuevos.

Un proyecto reciente que encarna estas dos ventajas es el colector de pinza patente de pendiente de Biorep. Según Bernal, tradicionalmente, los laboratorios médicos que analizan fluidos han utilizado un dispositivo denominado válvula de pinza para evitar que los fluidos en los tubos de silicona entren en contacto con el equipo. Las válvulas de pinza pinzan literalmente el tubo que contiene el fluido. Sin embargo, las válvulas de pinza tienden a sobrecalentarse y su funcionamiento depende de la presión en el tubo. No son muy fiables y resultan muy caras. En caso de apagón eléctrico, las válvulas de pinza pueden abrirse de forma imprevista soltando el líquido de su interior.

El dispositivo clave de Biorep requería 32 válvulas de pinza fiables, sin contacto. Las válvulas de pinza existentes no tienen un buen rendimiento, así que el equipo de Biorep decidió diseñar la suya propia.

El resultado es el Colector de pinza de Biorep que utiliza una serie de levas y un motor para controlar fluidos en varios canales con la característica de no contacto propia de las válvulas de pinza tradicionales. “Nuestro colector de pinza ofrece una nueva forma de indizar fluidos sin contacto con las partes de la válvula”, explica Bernal. “Los fluidos solo entran en contacto con el tubo de silicona, que es desechable. En un entorno de laboratorio estéril es muy importante evitar la contaminación del equipo con el fluido, que suele ser sangre o bacterias, que se esté manipulando. Así que una válvula que no haga contacto es crítica.”

Además, Bernal señala, “El sistema puede ampliarse a tantos canales como se desee, así que resulta mucho más eficiente que un sistema de válvula de pinza tradicional que normalmente sólo permite utilizar un canal. Y dado que es un sistema mecánico en lugar de electromagnético, funciona a prueba de fallos. En caso de apagón, conserva su posición.”

Bernal comenzó a experimentar con diseños y todos los prototipos se realizaron en la Eden250. “Nos dimos cuenta muy pronto de que estábamos ante algo grande”, explica Echeverri. “Utilizamos un prototipo de Objet para presentar el proyecto a la directiva y realmente nos ayudó a vender el concepto. Conseguimos de inmediato la aprobación para continuar.”

“Nuestra capacidad de fabricar prototipos rápidos internamente ha sido absolutamente esencial para el éxito de este proyecto”, señala Bernal. “En primer lugar pudimos diseñar piezas sin estar limitados por el mecanizado, lo que nos permitió liberar nuestra forma de pensar. Cuando teníamos una idea nueva podíamos diseñarla, imprimirla y ponerla a prueba enseguida. Y, en segundo lugar, dado que podíamos fabricar muchos prototipos muy rápidamente a bajo costo, hicimos muchas pruebas. Eso nos ayudó a encontrar y solucionar muy pronto algunos problemas funcionales que habrían sido muy perjudiciales si los hubiéramos encontrado más tarde.”

El colector de pinza tiene una docena de piezas aproximadamente sin incluir el motor y todas se prototiparon individualmente en la Eden250 y se montaron seguidamente. Algunos conceptos iniciales no se podrían haber mecanizado a causa de su geometría. “Fabricamos en total cinco prototipos completos, además de docenas de piezas individuales a lo largo del proceso”, recuerda Echeverri. “Preparábamos las piezas para imprimirlas por la noche y al volver a la mañana siguiente podíamos preparar el concepto nuevo enseguida.

La Eden250 nos permitió ahorrar probablemente seis meses del proyecto, lo que nos permitió sacar el colector de pinza al mercado mucho antes.”

Prototipo 3D que ha permitido a la firma a conseguir una subvención del NIH por el innovador diseño de una nueva placa de Petri

Otro proyecto reciente posible gracias a la Eden250 es una placa de Petri de membrana de silicona que Biorep denomina “sándwich de oxígeno”. Una placa de Petri de plástico estándar no permite que el oxígeno entre desde arriba. Los científicos del Diabetes Research Institute (DRI) lanzaron la hipótesis de que las celdas en una placa podrían respirar mejor y, de este modo, ser más viables si pudiera llegarles el oxígeno desde arriba y desde abajo.

“La silicona es permeable al oxígeno, así que decidimos probar a crear una placa de Petri de membrana de silicona”, explica Echeverri. “Los científicos del DRI desarrollaron una mezcla de silicona propia que mejora la permeabilidad del oxígeno. Denominamos sándwich de oxígeno al diseño porque encierra a las células en oxígeno por arriba y por debajo.”

Los científicos del DRI crearon la membrana; la tarea de Biorep consistía en diseñar un medio de mantenerlo con la forma y función de una placa de Petri estándar.

El equipo de Echeverri hizo el prototipo del diseño inicial en la Eden250 y seguidamente experimentaron con distintos enfoques para garantizar la capacidad de fabricación y un montaje adecuado. “El diseño final de la membrana solo tiene 300 micras de espesor. Es lo suficientemente fuerte como para manipularla en un laboratorio sin que resulte dañada y lo suficientemente tirante como para evitar que se combe. Hicimos muchos prototipos con distintas configuraciones para llegar a esa conclusión”, explica Echeverri.

El equipo también utilizó el prototipado para asegurarse de que el diseño se pudiera producir en masa. Los prototipos fabricados durante dicho ejercicio se utilizaron recientemente para solicitar una subvención del NIH (National Institutes of Health) para ayudar a patrocinar el desarrollo continuo del producto. “Disponer de un prototipo realista fabricado en la Eden250 nos ayudó sin duda a demostrar el concepto y a conseguir la subvención del NIH”, explica Echeverri. “Los planos de CAD no son tan eficaces cuando se presenta un tipo de diseño completamente nuevo.”

Tardamos solo seis meses en trasladar la placa de Petri de membrana de silicona de Biorep de la mesa de dibujo a su estado actual: ensayos de campo en una serie de laboratorios. “Seis meses supone un plazo increíblemente corto para conseguir que un aparato médico pase a la fase de ensayo”, explica Echeverri. “Nuestra capacidad de fabricar prototipos rápidos in situ ha reducido el plazo de desarrollo a la mitad.”

Los resultados de las primeras pruebas de campo son prometedores: Los científicos del DRI señalan que las células son más saludables y producen más insulina, lo cual resulta crucial para avanzar en la investigación de la diabetes. Biorep también es muy optimista acerca de las posibilidades comerciales del producto en otras áreas aparte de la investigación sobre diabetes como, por ejemplo, las células madre.

La impresora 3D libera a Biorep de las limitaciones del mecanizado, ayuda a los diseñadores a salirse de lo establecido

El ingeniero de I+D de Biorep Bernal concuerda plenamente con la valoración de Echeverri de que disponer internamente de la Eden250 les ha ayudado a mejorar la calidad global de los diseños de Biorep. “La capacidad de realizar prototipos rápidos internamente ha fomentado la libertad creativa en términos de diseño”, explica Bernal. “La impresión 3D nos permite ensayar rápidamente conceptos innovadores sin tener en cuenta las consideraciones de diseño para fabricación. Con la impresora Objet podemos dar prioridad al diseño y aprovechar la consolidación del montaje para prueba de concepto.”

Echeverri señala que contar internamente con capacidades de impresión 3D también les ha ayudado a diversificar los ingresos y la oferta de productos de Biorep. “Ahora podemos diseñar una gama de proyectos más amplia”, explica. “Por ejemplo, ahora mismo estamos trabajando en proyectos que van desde aplicaciones de investigación oftalmológica a conceptos de instrumentación quirúrgica. En el pasado no disponíamos ni del tiempo, ni de los recursos para hacerlo.

Nuestros ciclos de desarrollo de producto se han acelerado porque ahora podemos fabricar distintos conceptos de diseño en paralelo. La capacidad de imprimir piezas de la noche a la mañana, sin supervisión, ha resultado extremadamente útil y nos permite evitar el coste y los retrasos de distintos montajes asociados al mecanizado tradicional.”

De hecho, Biorep ha encontrado tan valiosa la Eden250 que la empresa está considerando ahora incorporar una segunda impresora 3D que permita imprimir piezas funcionales utilizando una variedad de materiales más amplia.

Echeverri señala que aunque Biorep ha amortizado de sobra el coste de la impresora Objet, la verdadera amortización es la idea de que los dispositivos que prototipan y perfeccionan ayudarán a cambiar las vidas de muchas personas. “Por eso es por lo que lo hacemos”, concluye Echeverri. “Se trata de buscar una cura.”

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