Caracterización de aleaciones biomédicas de titanio de grano nanoestructurado procesadas por deformación plástica severa.

Este trabajo estudia los efectos de esfuerzos de torsión sobre las propiedades mecánicas y transformación de fase en aleaciones comerciales de titanio nanoestructuradas: Ti comercialmente puro y Ti 6Al-7Nb, para evaluar la evolución microestructural y el comportamiento del material refinado por medio de tratamientos térmicos y torsión de alta presión (HPT por sus siglas en inglés). El procesamiento por HPT se realiza a temperatura ambiente y a 6 GPa de presión, aplicando múltiples revoluciones de torsión en discos de 10 mm de diámetro y ~ 0,8 mm de espesor. En la caracterización de las aleaciones procesadas se aplican las técnicas: Espectroscopía de Energía Dispersiva (EDS), Microscopía Óptica (OM), Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM), Difracción de Rayos-X (XRD) y de Electrones Retrodispersados (EBSD), asimismo, se realizan mediciones de microdureza Vickers. Los principales resultados revelan que el Ti presenta una microestructura monofásica compuesta por fase α. Por otra parte, la composición química de Ti-6Al-7Nb tiene suficiente estabilizador β (7% Nb) para proporcionar una microestructura dúplex (α + β). Después del procesamiento por HPT se detectó la transformación de fase de α → ω, se dio el ensanchamiento de los picos de difracción principales de cada fase, así como un aumento en la microdureza en función del número de revoluciones, lo cual es característico del refinamiento de grano que experimenta el material. Finalmente, se evalúo el efecto de la nanoestructuración en las propiedades mecánicas por medio del comportamiento superplástico en tensión a alta temperatura T = 800 ºC de forma isotérmica. De manera que, la deformación plástica severa proporciona microestructuras refinadas con propiedades mecánicas superiores que pueden ser procesados con mayor eficiencia y posibilita que sean aplicados potencialmente para dispositivos médicos de menor tamaño, menos invasivos y con mayor resistencia a la corrosión. Como etapa futura, se planea la fabricación de proformas para implantes y cables, y la evaluación de la osteoconductividad y otras propiedades asociadas a la biocompatibilidad.

Diseño y validación de dispositivo pie-tobillo para exo-prótesis implementando Tecnología de Manufactura Aditiva de reforzamiento en matriz polimérica mediante Fabricación de Filamento Compuesto (CFF).

Esta investigación se centra en el diseño, fabricación y validación de un dispositivo pie-tobillo para exo-prótesis implementando la tecnología de manufactura aditiva Fabricación de Filamento Compuesto (CFF), la cual permite realizar un reforzamiento de fibras continuas dentro de una matriz de Poliamida 6 (PA6).

La primera etapa de la investigación se centró en la caracterización de la tecnología CFF. Esta tecnología de manufactura aditiva utiliza un proceso de impresión capa por capa similar al moldeo por deposición fundida (FDM), pero también es capaz de reforzar las partes con capas de fibras continuas en una matriz de PA6. Debido a las características ortotrópicas de la manufactura aditiva basada en FDM, las partes impresas en 3D pueden presentar un comportamiento mecánico diferente bajo diferentes orientaciones de carga, sumado a esto, las tecnologías CFF permite diferentes configuraciones para la fabricación y el reforzamiento de partes. En este estudio, la caracterización mecánica de PA6 reforzada con fibra de carbono y fibra de vidrio se realizó mediante diseños de experimentos (DOE) como método estadístico, para investigar el efecto del rastro de impresión de las fibras, distribución del reforzamiento, la orientación de impresión y el porcentaje de fibra sobre las propiedades mecánicas en compresión y flexión.

Los resultados de la caracterización mecánica se consideraron como input para el diseño y validación de un dispositivo de pie - tobillo de bajo costo mediante el uso de herramientas CAD CAM CAE. El diseño se desarrolló de manera paramétrica a partir de variables antropométricas y funcionales características de pacientes amputados, implementando una metodología iterativa de validación computacional mediante análisis de elementos finitos (FEA). En futuras etapas de la investigación se realizarán ensayos estáticos y dinámicos según la norma ISO 22675, con el fin de validar requisitos de resistencia mecánica y vida útil del dispositivo.

Diagnóstico de las posibilidades actuales para realizar estudios clínicos de dispositivos médicos en universidades públicas costarricenses.

Antecedentes: estudios clínicos realizados hasta ahora en Costa Rica se han orientado principalmente a la industria farmacéutica.

Objetivo: diagnosticar las diferentes posibilidades de estudios clínicos de dispositivos médicos en las universidades públicas costarricenses.

Métodos: se realizaron entrevistas con profesionales e instituciones participantes, se obtuvieron datos de entidades de salud pública, encuestas de empresas de producción de dispositivos médicos y especialistas médicos, el número de investigadores activos para el período 2017 de fuentes institucionales y las publicaciones indexadas en diferentes sitios publicados de 2004 a 2016.

Resultados: a nivel internacional, las regiones y países que no están enfocados en mejorar su atractivo de investigación corren el riesgo de quedarse atrás. Las regiones desarrolladas (América del Norte y Europa occidental) representan más del 70% de los estudios mundiales y esta tendencia ha continuado a pesar de la tendencia hacia la globalización. El 33% de los especialistas médicos están relacionados con estudios clínicos (in vitro, in vivo, preclínicos y clínicos) para la validación final de productos teniendo en cuenta que no existe un centro de datos clínicos a nivel de país. Las empresas de producción de dispositivos médicos afirman estar interesadas en realizar estudios clínicos en el 90,6%, pero el Consejo Nacional de Investigación en Salud (CONIS) no promueve la promoción. 1149 Investigadores principales y secundarios registrados ante CONIS para julio de 2017. La Ley  9234 de Investigación Biomédica no tiene una sesión correspondiente a la funcionalidad y estudios con Dispositivos Médicos. DE No. 34482-S El Reglamento para el registro, clasificación, importación y control de equipos y materiales biomédicos por parte del Ministerio no se utiliza como Normas Internacionales como la FDA. Potencial de los pacientes para el desarrollo de protocolos de investigación según los datos acumulados desde el año 2004 hasta el año 2016 de la Unidad de Estadística del Fondo Costarricense de Seguridad Social, hubo 308,053 casos relacionados con enfermedades del sistema genitourinario y 266,558 casos de enfermedades relacionadas con el sistema circulatorio. No existen disposiciones en la regulación costarricense que permitan el uso de cadáveres para el desarrollo de la investigación biomédica para organizaciones cuyo propósito no es para fines de enseñanza.

Conclusiones: Crear alianzas (Empresa-Estado-Academia) para el desarrollo y promoción de la investigación biomédica. Desarrollo de un Comité Científico Ético para el Instituto Tecnológico de Costa Rica. Regulación nacional más robusta, con la ayuda del conocimiento que ya tienen las empresas y las regulaciones internacionales en el área de investigación con dispositivos médicos.

La enfermedad de Parkinson idiopático (EPI) es una patología degenerativa del sistema nervioso central (SNC), la cual produce el trastorno de algunas estructuras cerebrales relacionadas con el control y la coordinación del movimiento voluntario, la fijación de la postura y el tono muscular. La toma de alimentos se ve afectada en los pacientes con Parkinson, producto de temblores involuntarios en sus extremidades, padecimiento conocido como “temblor esencial”. En este proyecto se presenta el diseño y desarrollo de una c chara con estabilización mecánica que reduce en al menos un 80% la caída de los alimentos. En su desarrollo se utilizaron herramientas CAD y manufactura aditiva, para crear un dispositivo de $14 USD considerado de bajo costo. Durante su verificación, el prototipo demostró que retiene en promedio un 100% de los alimentos en un movimiento de 7.1 Hz; mientras que una cuchara normal lo hace en promedio un 9.8 %, lo que permitió cumplir con el objetivo del trabajo.

Los investigadores ganaron Primer Concurso Nacional de Tecnología Apropiada y la oportunidad de participar en el evento AT Grand Symposium en el primer semestre del 2018, organizado por la Organización Mundial de la Propiedad Intelectual (OMPI).

Los tampones menstruales son dispositivos médicos hechos de material celulósico o sintético, comercializados y usados masivamente en la mayor parte de los países occidentales y, además, de venta libre. Los tampones pueden producir una enfermedad poco común llamada síndrome de shock tóxico (SST) que está relacionada con la absorbencia de estos y presenta una incidencia en Estados Unidos de entre 1,05 a 3 por cada 100 000 mujeres que menstrúan. Por tanto, en el estudio, se determinó la absorbencia y se revisó el etiquetado de tampones menstruales comercializados en diferentes supermercados del Gran Área Metropolitana en Costa Rica. Para tal fin, se empleó la prueba syngyna y los requerimientos de etiquetado establecidos por la FDA (Food and Drug Administration) y el Ministerio de Salud de Costa Rica. En la prueba de absorbencia, que es un parámetro de suma importancia, se encontró que solo el 14 % de las presentaciones de tampones evaluadas se encuentra dentro del rango de absorbencia establecido por la FDA, según valor que presentan en el etiquetado. Además, solo el 50 % de las muestras cumple con los requisitos de etiquetado de la FDA y el Ministerio de Salud.  El estudio permitió dar un diagnóstico de la situación de al menos 64 % de las presentaciones de este tipo de dispositivo médico comercializado en el país.

Simulación computacional de deformación plástica severa: procesamiento de la aleación biomédica Ti-6Al-7Nb por Extrusión en Canal angular constante (ECAP) y Torsión en Alta Presión (HPT).

Las técnicas de deformación plástica severa (SPD, por sus siglas en inglés) producen materiales volumétricos con propiedades mecánicas superiores debido a las microestructuras de tamaño de grano ultrafino (UFG, por sus siglas en inglés) que pueden desarrollarse con estas técnicas. Dos de las más utilizadas e investigadas en SPD son la extrusión en canal angular constante (ECAP, por sus siglas en inglés) y la torsión en alta presión (HPT, por sus siglas en inglés). El comportamiento y características del material durante la deformación han sido investigados con software de simulación. El software contribuye con la ayuda visual y cálculos de esfuerzos y deformaciones. La información recuperada de las simulaciones es necesaria para complementar el trabajo experimental y provee perspectiva para diseñar las herramientas utilizadas en ECAP y HPT. Este estudio presenta simulaciones del procesamiento por ECAP y HPT de una aleación comercial de Ti-6Al-7Nb y una aplicación de este material a un stent vascular.

La manufactura aditiva forma parte importante en los procesos de diseño y fabricación de prototipos. Optimiza los procesos de desarrollo, pasando de conceptualización de una idea a un modelo físico, en poco tiempo. Este trabajo se enfoca en caracterizar un ensamble entre un inserto metálico instalado en caliente sobre una probeta impresa en 3D. Utilizando simulación computacional, se determinan los esfuerzos mecánicos resultantes en los puntos de acoplamiento de un fixture, al aplicar una fuerza de 160.1 N. Los resultados se comparan con resultados de un experimento multifactorial completo 3 factores 2 niveles. Los datos evidencian que los ensambles de inserto-probeta que utilizan el agujero #13, temperatura baja y material termofijo tienen mayor resistencia de tracción. Las probetas analizadas cumplen satisfactoriamente con el requerimiento de cargas mecánicas esperadas para el fixture. Las configuraciones de mayor resistencia a la tracción presentan fallos por concentración de esfuerzos sin desprendimiento del inserto. Se recomienda minimizar la concentración de esfuerzos mecánicos durante el diseño y utilizar las configuraciones de parámetros resultantes para maximizar el rendimiento de tracción de los acoplamientos.

Hay un número cada vez mayor de personas con amputaciones y reducciones traumáticas y congénitas de la extremidad superior. Las necesidades protésicas son complejas debido a las necesidades únicas del paciente y los recursos financieros de las familias juegan un papel crucial en la prescripción de prótesis, especialmente cuando el seguro privado y el financiamiento público son insuficientes. Se han desarrollado dispositivos eléctricos (es decir, mioeléctricos) y accionados por el cuerpo (es decir, mecánicos) para satisfacer las necesidades de los pacientes, pero el costo de mantenimiento y reemplazo representa un obstáculo para muchas familias. Debido a la complejidad y el alto costo de esta prótesis de miembro superior, no son accesibles para pacientes de familias de bajos ingresos, no aseguradas o de países en desarrollo. Los avances en el diseño asistido por computadora (CAD), la fabricación aditiva y el software de edición de imágenes ofrecen la capacidad de diseñar, imprimir y simplemente dispositivos protésicos de mano a un costo muy bajo. El propósito de este trabajo de investigación fue diseñar una prótesis tridimensional (3D) de miembros superiores de bajo costo. Este proyecto busca proporcionar una solución alternativa mediante el diseño de un dispositivo basado en la nueva tecnología 3D. Las entrevistas con expertos en el campo, así como la investigación de la literatura relacionada con el área de estudio se ejecutaron durante la investigación. El resultado muestra que es posible crear prótesis personalizadas de bajo costo, como una solución útil para pacientes de bajos ingresos con la ventaja de una construcción rápida y fácil montaje.

Obtención, caracterización y evaluación de biomateriales: colágeno tipo I y nanopartículas de propóleo y tinospora, para aplicaciones en tejidos biomiméticos.

Surge a partir de la búsqueda de la solución para diversas patologías dérmicas, dado que se han desarrollado estudios y tejidos artificiales con matrices de diferente naturaleza, sin embargo éstas resultan ser, por lo general, soluciones muy costosas y complejas.

Por esta razón, se ideó obtener un tejido biomimético, es decir, que imita la estructura nano y micrométrica de los tejidos vivos, a través del autoensamblaje de proteínas, que al provenir de fuentes naturales puedan resultar menos costosos, logrando obtener colágeno tipo I, una de las principales proteínas presentes en los vertebrados, a partir de desechos animales, específicamente tendones de cola de rata. Se realizó así un estudio completo de su autoensablaje y propiedades, único desde el punto de vista térmico y energético pues se logró obtener el calor de agregación y las entalpías asociadas a este proceso de autoensamblaje de proteínas, mediante las técnicas Calorimetría Isoterma de Titulación (Nano-ITC) y Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC).

También se utilizaron productos naturales como propóleo y tallos de tinospora y a partir de estos extractos naturales se obtuvieron nanopartículas en disoluciones de diferentes concentraciones, que resultaron citocompatibles. El propóleo es una resina cerosa preparada y transformada por las abejas (Apis Mellifera L.) recolectada a partir de diferentes especies de plantas, mientras que la tinospora cordifolia, también conocida como Guduchi, es un arbusto caducifolio de escalada, que se encuentra en la India, especialmente en las partes tropicales, y en algunas partes de China, Burma, y Sri Lanka. Ambos productos tienen en común la versatilidad en actividades biológicas gracias a sus propiedades por las cuales han sido objeto de estudio, como agentes antioxidantes, antimicrobianos, antiinflamatorios, antifúngicos, inmunoestimulantes, antitumorales, entre otros.

Para esta investigación se llevó a cabo la extracción de los compuestos activos y su caracterización, sin embargo se eligieron nanopartículas de propóleo para colocar sobre el colágeno, debido a su mayor disponibilidad, con el objetivo de generar un biomaterial compuesto capaz de funcionar como una alternativa natural para el tratamiento de tejidos, con una capacidad regenerativa más efectiva gracias a la función de las nanopartículas y menos costoso que algunos parches utilizados hoy en día.

La mayoría de los ensayos se realizaron en las instalaciones del Laboratorio Nacional de Nanotecnología (LANOTEC), y con la colaboración de instituciones como Laboratorio de Ensayos Biológicos (LEBI) de la Universidad de Costa Rica, Laboratorio de Investigación y Tecnología de Polímeros (POLIUNA) de la Universidad Nacional, y Centro Nacional de Innovaciones Biotecnológicas (CENIBiot) del Centro Nacional de Alta Tecnología, Entre las principales técnicas empleadas figuran la Espectroscopía Infrarroja (FT-IR) para verificar la composición de los extractos y el tejido biomimético obtenido a partir de autoensamblaje de proteínas, electroforesis de gel de poliacrilamida (SDS- Page) para determinar el peso molecular de los materiales, Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) para determinar las temperaturas de fusión y cristalización de los materiales, Termogravimetría (TGA) para el estudio de la estabilidad térmica de los materiales, Microscopia de Fuerza Atómica (AFM) y Microscopía Diferencial de Barrido (SEM) para determinar la morfología de los materiales, Equipo de Análisis Dinamo-Mecánico- Térmico (DMTA) y Máquina de Ensayos Universales, para determinar pruebas de compresión, tensión, flexión, módulo de Young, módulos de almacenamiento elástico y viscoso del tejido biomimético (G´y G”).

Se demostró así que el material compuesto cumple con las características requeridas para las aplicaciones establecidas, llegando a la conclusión de que es posible generar un apósito biológico con buenas características térmicas, dinámicas y mecánicas, de forma sencilla, utilizando colágeno de tendón de cola de rata como matriz base, y extractos naturales de propóleo, lo que puede convertirse en una solución económica y eficaz, para el tratamiento de enfermedades de la piel y la producción de materiales de alto valor añadido que pueden ser utilizados en la actualidad para la medicina regenerativa.

El presente trabajo es parte de un proyecto macro, cuyo objetivo es el desarrollo de un impulsor axial sin eje central.  Esta geometría es novedosa en cuanto a su utilización en una bomba para sangre.  El proyecto pretende validar por medio de simulaciones numéricas el efecto que la fatiga causa en un impulsor axial sin eje central.  Con el fin de lograr esta validación se emplea el método de elementos finitos en el software COMSOL® de simulación multifísica. 

La realización de este análisis requiere obtener un modelo matemático para representar el sistema en estudio y aplicar como insumos los resultados obtenidos en trabajos anteriores, donde se ha estudiado el dispositivo principalmente en condiciones estáticas.  El propósito del proyecto consiste en la determinación de un material alternativo al platino, con las características mecánicas y de compatibilidad que permitan su utilización en el impulsor sin eje central, pero logrando una reducción de costo del dispositivo. 

Para validar el cumplimiento del nuevo material por seleccionar, se someterá al mismo análisis que al platino, de forma que se logre la comparación de ambos materiales en cuanto a los efectos de la fatiga en el impulsor sin eje central.  Se pretende validar que el diseño sea capaz de soportar las condiciones de operación durante un año, sometido a los esfuerzos propios del ciclo cardiaco y la rotación del impulsor dentro del dispositivo.