Monográfico Ingenierías 2018-2019

MONOGRÁFICO 2018/2019

Ingenierías Tecnología y materiales al servicio de la vida

REPORTAJES EXTRAÍDOS DE LA REVISTA DE DIVULGACIÓN CIENTÍFICA UMHSAPIENS

MONOGRÁFICO 2018/2019

Monográfico ingenierías

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Ciencia de los Materiales e Ing. Metalúrgica

Carolina Senabre: Huertos Solares

Un Exoesqueleto para Reforzar la Independencia

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Piedad N. de Aza Moya:“Los biomateriales acompañan al ser humano desde la prehistoria” D

esde la prehistoria, el ser humano ha utilizado materiales de su entorno para crear instrumentos que facilitaran su subsistencia. En la actualidad, los implantes dentales o las prótesis quirúrgicas utilizadas en traumatología o cirugía maxilofacial tienen en común la utilización de biomateriales capaces de transformarse en tejido óseo neoformado, en aras de mejorar la calidad de vida de los pacientes.

Durante las últimas dos décadas, la investigadora del Instituto de Bioingeniería de la Universidad Miguel Hernández (UMH) de Elche Piedad N. de Aza Moya dirige el grupo de Ciencia de Materiales, donde se ha llevado a cabo una serie de proyectos de investigación consistentes en la aplicación de los diagramas de equilibrio al diseño, síntesis y procesado de materiales cerámicos para aplicaciones en el campo de los biomateriales. Las investigaciones actuales de la profesora de la UMH se centran en el estudio de nuevos materiales capaces de estimular activamente la regeneración y la reparación de tejido óseo dañado, de forma que puedan restablecer su función.

“Empleamos la respuesta biológica del organismo hacia un daño tisular, junto con soportes sintéticos diseñados sobre principios de ingeniería”

Pregunta. ¿Qué es un biomaterial y de qué modo se emplean?

Respuesta: Un biomaterial es cualquier material que no provoca reacciones adversas en nuestro organismo cuando éste entra en contacto con él. En cuanto a su uso, desde que los investigadores se dieron cuenta de que existía una aceptación por parte del organismo hacia este tipo de materiales, se han hallado aplicaciones muy diversas con el objetivo de mejorar la calidad de vida del paciente. ¿Cuál es el primer registro del uso de biomateriales y en qué consistía?

Los biomateriales se llevan utilizando desde la prehistoria, el ejemplo más antiguo es el Hombre de Kenewick que, a pesar de tener una flecha clavada en la cadera, se ha demostrado que podía haber continuado su vida con normalidad. Es el primer hecho en el cual se puede constatar que el ser humano puede convivir con un material no biológico dentro de su cuerpo. Los implantes más utilizados a lo largo de la historia han sido los implantes oculares y las dentaduras, aunque hoy en día son los implantes óseos, debido principalmente a los accidentes de tráfico, accidentes laborales y a una mayor esperanza de vida, que hacen desear a la población no sólo vivir más, sino con una buena calidad. ¿Qué dificultades ha planteado el uso de los biomateriales?

En gran parte, el problema que existía antaño era que se carecía de las técnicas quirúrgicas necesarias para realizar la implantación y su efectividad y salubridad suponían un problema. No es que no hubiera buenos biomateriales, sino que no se sabía cómo mantener a raya las infecciones derivadas de una cirugía.

La aparición de técnicas asépticas quirúrgicas, la pasteurización y el descubrimiento de los rayos X fueron avances en medicina que hicieron proliferar la utilización de biomateriales, principalmente metales, con el fin de sustituir el tejido dañado. ¿Cómo ha evolucionado su aplicación a lo largo de la historia?

Durante los últimos dos siglos, encontramos una gran cantidad de ejemplos en los que materiales externos a nuestro organismo se han acabado introduciendo en él y no im-

Piedad N. de Aza Moya Investigadora del Instituto de Bioingeniería UMH pedían a los afectados realizar su vida con normalidad. Por ejemplo, los heridos por esquirlas de polimetilmetacrilato, procedentes de las carlingas de los aviones de la Segunda Guerra Mundial, podían llegar a pasar varios días con los restos en su cuerpo, antes de ser atendidos y no perecer.

Gracias al descubrimiento de las compatibilidades entre el cuerpo humano y estos biomateriales aparece la primera generación de biomateriales, cuyo único fin era reemplazar el tejido. Hoy día, ya entrados en el siglo XXI, el principal objetivo ya no es sustituir o reemplazar el tejido dañado sino regenerarlo mediante ingeniería de tejidos, adentrándonos así en los materiales de tercera generación.

En aquel entonces, las prótesis se solían realizar con metales nobles como el oro o la plata, que servían como sustitutos de elementos óseos perdidos por los heridos o enfermos. En la actualidad, tenemos no solo metales, sino cerámicas, polímeros y materiales compuestos, como sustitutos de todo tipo de tejidos dentro del organismo.

Durante la segunda generación de biomateriales se intenta reparar los tejidos, por lo que se busca materiales que reaccionen químicamente con el mismo y con la tercera generación de biomateriales se busca, además de que los materiales sean biocompatibles, que sean bioactivos y biodegradables para poder ser reemplazados por tejido nuevo y así regenerarlos mediante técnicas avanzadas de ingeniería de tejidos, combinando los biomateriales con células como pueden ser las células madre. Algunos de estos materiales son las llamadas biocerámicas de fosfatos cálcicos, capaces de favorecer la regeneración de tejido óseo y que poseen una alta biodegradabilidad. ¿Cuáles son los biomateriales más utilizados?

Los materiales pueden ser metálicos, cerámicos, poliméricos o compuestos, tanto densos como porosos. Nosotros trabajamos actualmente con materiales cerámicos porosos, ya que lo que buscamos es fabricar un andamio que sea colonizado por células de un paciente para luego al ser implantado pueda regenerar el tejido óseo dañado y que desaparezca, después de que haya cumplido su función. Para ello, empleamos una serie de estructuras porosas hechas a base de cerámicas biodegradables y bioactivas que facilitan la unión a en términos celulares cuando el tejido óseo se está regenerando de una lesión.

Imagen A: Un andamio ceramico realizado en el laboratorio a partir de materiales de tercera generacion.

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Imagen B: Andamio ya colonizado por celulas listo para ser implantado y utilizado en ingenieria de tejidos.

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¿Cómo se lleva a cabo la investigación de estas cerámicas?

Las primeras biocerámicas fueron desarrolladas e introducidas en el mercado entre los años 70 y 80 y consistían en fosfatos de calcio, como son la hidroxiapatita y el fosfato tricálcico o mezclas de ambos. Se trata de biomateriales de primera y/o segunda generación destinados a reemplazar el tejido, es decir, actuar como relleno del defecto óseo. Aunque algunos de estos materiales son bioactivos (segunda generación) tienen el inconveniente de que no son totalmente reabsorbidos. La hidroxiapatita no se degrada totalmente aún después de varios años, el fosfato tricálcico es mucho más biodegradable pero aún después de 1 ó 2 años se pueden encontrar restos, al igual que ocurre con los vidrios bioactivos.

Finalmente, con la excepción de los vidrios bioactivos, estos materiales carecen de capacidad de estimular la osteogénesis, es decir, el proceso a través del cual ocurre la formación del tejido óseo. ¿En qué consiste el concepto básico de ingeniería de tejidos?

En emplear la respuesta biológica natural del organismo hacia un daño tisular, conjuntamente con soportes sintéticos diseñados sobre la base de principios de ingeniería. Desde el punto de vista biológico, en la ingeniería de tejidos aplicada a la regeneración ósea están implicadas células, matriz extracelular, comunicaciones intercelulares, interacciones célula-matriz y factores de crecimiento. El hueso posee una configuración tridimensional, pero las células normalmente no crecen en una disposición tridimensional por sí mismas.

Para lograrlo, es necesario ofrecerles un soporte tridimensional con estructura similar al hueso. Este soporte tridimensional, andamios

o granulados, debe poseer determinadas propiedades para desempeñar exitosamente su función. ¿Cuántas personas participan en las labores de la investigación de biomateriales dentro del Instituto de Bioingeniería?

Pablo Velasquez y yo somos investigadores el Instituto de Bioingeniería y Ángel Murciano y Patricia Mazón son investigadores del Departamento de Ciencia de Materiales, Óptica y Tecnología Electrónica. Aunque trabajamos conjuntamente en la línea de biomateriales, cada uno tiene un enfoque distinto, que a su vez resulta complementario para poder desarrollar nuevas biocerámicas.

Por un lado, Ángel Murciano es especialista en la síntesis de materiales mediante la técnica de sol-gel; Patricia Mazón, mediante reacción en estado sólido y Pablo Velásquez es un especialista en técnicas de análisis superficial de materiales. Todos colaboramos en los diferentes estudios in vitro y en la caracteriza-

ción de los biomateriales, comprobando sus propiedades físico-químicas y mineralógicas antes de los estudios biológicos. Finalmente, después de la implantación, realizamos el estudio post mortem de los mismos. ¿Hacia dónde se dirigen sus investigaciones?

Nuestro trabajo va desde el diseño de nuevas composiciones, síntesis y procesado de nuevas biocerámicas, hasta los estudios biológicos in vitro e in vivo, que realizamos con nuestros colaboradores externos. Nuestra línea de investigación actual abarca el diseño, preparación, caracterización y estudio in vitro e in vivo de biomateriales, en forma de granulados, cementos o andamiajes, con elevada macroporosidad interconectada, que permitan el ajuste de la tasa de biorreabsorbibilidad y de liberación de fármacos incluidos en los materiales, con objeto de mejorar su capacidad osteoinductiva y/o angiogénica. De esta forma, nuestra meta es ser capaces de ofrecer biomateriales adaptados a las necesidades de cada usuario

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Carolina Senabre: “Podemos sacar mucho más provecho de la energía solar, que es una fuente renovable, limpia y sostenible”

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as instalaciones fotovoltaicas generan energía eléctrica mediante el uso de módulos solares que contienen células (de silicio policristalino o monocristalino) encargadas de la transformación de la energía lumínica en energía eléctrica. La profesora de Ingeniería Mecánica y Energía de la Universidad Miguel Hernández (UMH) de Elche Carolina Senabre desarrolla, entre sus líneas de investigación, el análisis de sistemas fotovoltaicos para autoconsumo y para conexión a la red. Además, desde hace años, es docente en el Máster de Instalaciones Tér-

La profesora de Ingeniería Mecánica y Energía de la UMH lidera un grupo de trabajo de una actuación europea que analiza el rendimiento de los sistemas fotovoltaicos

micas y Eléctricas de la UMH dentro de la asignatura de Instalaciones Solares Fotovoltaicas.

El pasado mes de enero, la profesora Senabre participó en una de las denominadas “Actions” del European Cooperation in Science and Technology (COST), el marco europeo donde se apoya la cooperación entre investigadores, ingenieros y académicos de toda Europa. En concreto, esta iniciativa que va a liderar la ingeniera de la UMH analizará el rendimiento energético y la fiabilidad de los sistemas de energía solar fotovoltaica de instalaciones que están funcionando en distintos lugares de Europa.

ponentes que forman parte, tanto de los módulos como de la instalación, la cual va a estar muchos años a la intemperie, sufriendo todo tipo de situaciones climatológicas, se podrían establecer ratios de vida útil que garantizaran, como mínimo, periodos de más de 25 o 30 años de funcionamiento. Lógicamente, sin situaciones meteorológicas extremas y con un mantenimiento mínimo adecuado. Este dato es importante, dado que a medida que aumenta el periodo de vida útil de una instalación fotovoltaica, se consigue disminuir el riesgo de la inversión y se aumenta la rentabilidad económica global.

P. En España, se ha producido un estancamiento en la construcción de nuevos proyectos fotovoltaicos motivado en gran medida por los cambios regulatorios y la eliminación de ayudas, lo que ocasionó la desaparición de múltiples empresas en los diferentes eslabones de la cadena de valor.

R. Es cierto que ha habido muchos cambios regulatorios en los últimos 10 años. El primero y más importante, que ya no existen primas a la generación de energía fotovoltaica inyectada a la red eléctrica, lo que se conocía como venta a red. Hemos pasado en estos 10 años de tener una prima por kWhora generado e inyectado a la red de 45 céntimos de euro, año 2007, a un precio actual del mercado diario de la energía que puede estar en torno a 4 o 6 céntimos por kWhora inyectado. Pero también es cierto que una instalación fotovoltaica para venta de energía a red de 100 kW en el año 2007 costaba en torno a 650.000 euros, o incluImágenes cedidas por el Máster de Instalaciones Térmicas y Eléctricas de la UMH so más, y hoy en día esa misma instalación estaría en torno a los 120.000 euros o P: El título de la esta Action-COST es talaciones y aumentar tanto su rendimiento incluso menos. En este sentido, aunque ya “Performance and Reliability of Photovolcomo su fiabilidad. Además de predecir con no existen primas o incentivos directos a la generación de energía fotovoltaica para su taic Systems: Evaluations of Large-Scale mayor precisión su aporte energético en Monitoring Data” (Rendimiento y fiabilidad cada momento del día, lo que a su vez per- venta a red, con los precios actuales de los de los sistemas fotovoltaicos: Análisis y mitirá poder cubrir mejor la demanda y redu- módulos y demás equipos, en determinados evaluación de datos reales de grandes cir la dependencia de otros tipos de fuentes escenarios, puede seguir siendo rentable invertir en instalaciones fotovoltaicas graninstalaciones). ¿Cuál es el objetivo? de generación más convencionales. des, lo que se conoce como grandes huerR: El principal objetivo es reducir los costes tos solares, pues los plazos de amortizade la generación de electricidad, aumentan- P. ¿Cuál es el tiempo de vida útil de una ción, aun siendo altos, pueden compensar do el rendimiento energético y la vida útil instalación de este tipo? de este tipo de instalaciones. Nuestra meta R. No hay una fecha exacta de caducidad esta diferencia. es predecir la generación de energía de las de un módulo solar fotovoltaico, solo esEspaña es uno de los países con los mainstalaciones solares fotovoltaicas, a través timaciones obtenidas a partir de análisis yores índices de radiación solar de toda de la información que nos va a facilitar otro del comportamiento del envejecimiento de los grupos de trabajo, datos históricos de los mismos, ya que estamos hablando Europa.

Exacto y, evidentemente, esto tenemos de diferentes huertos solares instalados en a muchos años vista. Actualmente, hay que aprovecharlo. Por poner un ejemplo, Europa. Se analizará no solo la información algunos fabricantes de módulos fotovoluna misma instalación fotovoltaica en de la generación eléctrica de los módulos, taicos que garantizan que el rendimiento Elche y en Copenhague presenta una difesino también otros datos climatológicos del módulo, al cabo de 25 años de uso, asociados al rendimiento de este tipo de no bajará más del 80% con respecto a su rencia de más del 50% de producción de energía eléctrica total anual (en kWhora instalaciones como son la temperatura, potencia pico nominal en el momento de anuales) a favor de Elche. Por tanto, pueniveles de radiación solar, localización, etc. su fabricación. Si por otro lado, se tiene Esto llevará a plantear mejoras en las inscontrolado el desgaste de todos los com- de ser mucho más interesante invertir en

una instalación de este tipo en España frente a otros países. No hay que olvidar que, en la actualidad, existe un marco normativo con el Real Decreto 900/2015 por el que se regulan las condiciones administrativas del Autoconsumo Fotovoltaico. Esto facilita cumplir con los requisitos exigidos y con el diseño y cálculo, en el caso de instalaciones fotovoltaicas para consumo directo de menos de 10 kW, como es el caso de la mayoría de hogares o pequeños comercios.

P. ¿Cómo se llevará a cabo la coordinación entre los diferentes grupos que participan en el proyecto?

R. Los grupos de trabajo realizarán análisis de los datos del rendimiento de instalaciones reales y análisis de fallos de instalaciones ubicadas en distintos puntos de Europa. En concreto, la línea que yo lidero, enmarcada en el grupo de trabajo coordinado por el ingeniero experto en sistemas solares fotovoltaicos Jonathan Leloux se encargará de la clasificación y predicción de la generación de energía eléctrica, partiendo de datos reales y utilizando herramientas informáticas. Dentro de este subgrupo, trabajaremos a lo largo de los próximos tres años investigadores de universidades de varios países europeos como: España, Italia, Holanda, Portugal y Chipre.

Sergio Valero y Carolina Senabre, los dos integrantes del grupo de investigación por parte de la UMH en la Cost-Pearl PV-WG5.

Se trata, por tanto, de una iniciativa que apuesta por esta energía renovable y respetuosa con el medio ambiente, frente a otros sistemas de generación eléctrica.

A pesar del rápido crecimiento del mercado de las instalaciones fotovoltaicas, hasta ahora no se había establecido una Action-Cost sobre el rendimiento y la fiabilidad de los sistemas. Es muy importante establecer con garantías su rendimiento para su integración (en el largo plazo) en los futuros mercados de la energía, considerando asP. ¿Qué factores influyen en la vida útil de pectos como: la viabilidad económica frente a otros sistemas de generación eléctrica, la este tipo de instalaciones? seguridad de las inversiones, la sostenibiliR. Precisamente ese es otro de los objetidad ambiental, la seguridad y fiabilidad de vos del proyecto: determinar cuantitativamente los principales factores que influyen suministro eléctrico, etc. en el rendimiento global de los componentes y equipos que forman parte de una P. ¿Qué implicaciones tiene que este instalación. Por ejemplo, tanto la ubicación proyecto se lleve a cabo a través de una geográfica como la climatología son factoAction-Cost? res clave para la vida útil y el rendimiento R. A nivel europeo, durante los últimos de los huertos solares. Analizar grandes años, ya se han puesto en marcha otras cantidades de datos sobre todos los facto- iniciativas para promover el uso de enerP. Su trayectoria investigadora cuenta ya res que intervienen en el funcionamiento de gías renovables. Sin embargo, este nuevo con una amplia experiencia en la utilizalas instalaciones permitirá mejorar el dise- marco, con el Horizonte 2030 como meta, ción de redes neuronales para la predicño de los sistemas y su mantenimiento a lo pretende la reducción de gases con efecto ción de la demanda eléctrica. largo de su vida útil, así como la propuesta invernadero al menos en un 40%. Esta AcR. Nuestro grupo de trabajo se encargará de las mejores ubicaciones geográficas. tion-Cost implica la formación de una red de del desarrollo y aplicación de técnicas de Además, estos análisis también posibiliinvestigadores expertos en sistemas fotosegmentación y de predicción, a través del tarán establecer los principales factores voltaicos y la obtención de la mayor base de uso combinado de modelos auto-regresivos climáticos que afectan al rendimiento, como datos en torno al rendimiento de sistemas y algunos tipos de redes neuronales. Se por ejemplo: la temperatura, nubosidad o la fotovoltaicos en Europa. Todo ello, con el trata de un know how que ya hemos desa- radiación solar recibida en diferentes moobjetivo de convertir a la Unión Europea en líder en uso de este tipo de energías. rrollado en anteriores proyectos. Las redes mentos del año, etc.

La Action-Cost supone la mayor base de datos en torno al rendimiento de los sistemas fotovoltaicos en Europa

neuronales artificiales son mecanismos de procesado de la información inspirados en las redes de neuronas biológicas. Mientras que los algoritmos de agrupamiento (en inglés, clustering) son procedimientos que permiten agrupar datos de acuerdo con un criterio. De manera que los vectores de un mismo grupo (o clústers) comparten propiedades comunes y agruparlos posibilita predecir comportamientos a través de la aplicación de modelos matemáticos.

Un exoesqueleto para reforzar la independencia y la autonomĂ­a

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ás de 1.000 millones de personas en todo el mundo padecen algún tipo de discapacidad, según la Organización Mundial de la Salud (OMS). Esta característica implica en la mayoría de ocasiones una serie de barreras físicas, psicológicas y sociales a las que se deben de enfrentar cada día para participar en la vida social y económica. Por este motivo, investigadores del Grupo de Neuroingeniería Biomédica de la Universidad Miguel Hernández (UMH) de Elche han diseñado un exoesqueleto robótico que proporcionaría a las personas con movilidad reducida una vida más independiente.

El avanzado sistema que ha desarrollado el Grupo de Investigación de Neuroingeniería Biomédica, coordinado por el profesor de la UMH Nicolás García Aracil, consiste en un exoesqueleto robótico, acoplado a una silla de ruedas, que se adapta al brazo del usuario. Además, el sujeto tiene la oportunidad de llevar unas gafas que monitorizan el movimiento de las pupilas y las señales cerebrales para interpretar sus intenciones y producir el movimiento deseado. El objetivo final de este novedoso proyecto es contribuir a la mejora de la interfaz usuario-tecnología para que la persona con problemas de movilidad sea capaz de reforzar su independencia y autonomía, ya que podrá decidir cuándo llevar a cabo la tarea y hacerlo por sí misma.

Este proyecto pionero está financiado con 3,4 millones de euros por el programa Horizonte 2020 de la Unión Europea y se desarrolla por el consorcio “Interfaces multimodales adaptativos para asistir a personas discapacitadas en actividades de la vida diaria” (o AIDE, su acrónimo en inglés). La UMH es la responsable de coordinar todos los equipos de trabajo integrados en este proyecto en el que participan 9 entidades: seis universidades de diferentes países entre los que se encuentran Italia, Alemania, Gran Bretaña y España y dos empresas de ámbito nacional. Además, la Universidad Miguel Hernández, también, se encarga de realizar otras tareas específicas. Entre ellas, el desarrollo del exoesqueleto, concretamente la parte que va desde el codo a la mano.

El exoesqueleto robótico se ha construido con aluminio y su peso ronda los 12 kg. Sin embargo, esta carga no la soporta el usuario, sino que la estructura va acoplada a la silla de ruedas que incorpora un sistema de liberación de peso del exoesqueleto a través de poleas de contrapesos.

Nicolas García Aracil

Profesor del Área de Ingeniería de Sistemas y Automática Otras de las cuestiones importantes que se ha abordado en este proyecto es la posibilidad de anular una actividad iniciada inmediatamente a través de una señal ocular. Esta sería una forma más de proporcionar la máxima independencia posible al usuario. Además, la interfaz va aprendiendo de las acciones que lleva a cabo el paciente, de manera que es capaz de predecir actividades y rutinas que el usuario realiza en su día a día. Con toda la información que se capta, el sistema presenta en una pantalla todas las actividades posibles y destaca aquellas más comunes para ofrecerlas al usuario de una manera cómoda.

El exoesqueleto, compuesto de aluminio, va acoplado a la silla de ruedas e incorpora un sistema de liberación de peso a través de poleas para que el usuario no soporte la carga

En cuanto al modo de funcionamiento, la interfaz es la encargada de recoger información procedente de diferentes sistemas: de las señales cerebrales registradas por electrodos incorporados a un casco, de los movimientos oculares detectados por las gafas y, también, de las propias señales residuales de los músculos. La recogida de información mediante este conjunto de sistemas -de forma individual o combinada- responde a la necesidad de adaptarse a los problemas que pueda tener el usuario y a su grado de incapacidad. Una vez que el software detecta la intención de llevar a cabo una acción, por ejemplo, coger un vaso de agua, una cámara indica la posición y orientación del vaso y, en función de esa información, el sistema de control de la interfaz lleva al exoesqueleto hacia la posición y agarra el objeto. Todo este proceso se lleva a cabo en un periodo de tiempo bastante reducido, en torno a 10 segundos, desde que se detecta la intención hasta que produce el agarre. Por lo tanto, el exoesqueleto robótico no sólo sustituye la función motora del usuario sino que participa en la identificación, en la planificación y en la ejecución del movimiento.

El sistema desarrollado, también, proporcionará apoyo para la navegación web y el uso de servicios estándar de Internet como el correo electrónico, el uso de redes sociales o las aplicaciones Skype o WhatsApp. El usuario tendrá un mejor control de su entorno y, además, controlará el propio exoesqueleto y la silla de ruedas a la que va acoplado.

El proyecto concluyó el 31 de mayo de 2018 y se han dado importantes avances. El pasado mes de julio, se presentó en la UMH el exoesqueleto mediante una demostración. En esta, un usuario solicitó al prototipo que le condujera hacia la cafetería del edificio Rectorado y Consejo Social. Después, pidió al camarero un refresco y, posteriormente, se lo bebió. De no contar con el exoesqueleto, esta aparentemente sencilla tarea hubiera sido imposible de realizar para una persona de movilidad muy reducida sin la asistencia de otros.

Durante la última fase del proyecto, el sistema se ha probado con 17 usuarios con distintos grados de discapacidad en Cedear Foundation de Belfast (Reino Unido) y los resultados obtenidos han sido muy positivos. No obstante, para que esta tecnología llegue al público deberán pasar todavía alrededor de 5 o 6 años.