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Bioprinter- Aplicación de bioplásticos a base de Almidón y Agar-agar a tecnologías FDM

Contexto

A finales del año 2019 un nuevo virus se esparcía por China, donde el gobierno de aquel país debió realizar estrictas cuarentenas para reducir el número de contagios y muertes de sus ciudadanos ante la desconocida enfermedad que generaba, una premonición de lo que sucedería en el mundo entero meses más tarde.

Debido a la crisis sanitaria mundial que se provocó, los países empezaron una batalla para adquirir insumos médicos tales como ventiladores mecánicos, mascarillas, guantes de látex, entre otros implementos, donde los países con un menor poder adquisitivo fueron los más perjudicados, debido a su poca capacidad de negociación.

 En este contexto, participantes del Laboratorio de fabricación digital de la universidad de Chile (FabLab uChile, desde ahora simplemente FabLab) volcaron sus esfuerzos para desarrollar algunos implementos que pudieran ser útiles para los equipos médicos de hospitales del país, con ayuda de herramientas de prototipado rápido pudieron desarrollar escudos faciales para el personal médico y el ventilador mecánico de emergencia BAMBÚ.

Su experiencia en el desarrollo de estos productos mostró la hiperdependencia que Chile tiene de otras naciones, como China, y el pobre poder de respuesta de la industria nacional ante situaciones adversas. En este contexto se plantea un sistema sustentable, que conecte el territorio con el desarrollo de productos, el Nodo de bio-fabricación, donde se desarrolla este proyecto , en el cual se trata de aplicar bioplásticos que necesiten procesos de cocción a tecnologías de impresión 3D.

Bioplásticos cocinados (CIY).

Los bioplásticos CIY son el resultado de mezclar ingredientes de fuentes naturales. Según la proporción de los elementos en la mezcla, características de los ingredientes, pH de la mezcla y temperatura de cocción se obtienen bioplásticos con distintas propiedades mecánicas. La estructura básica de una receta para crear un bioplástico CIY es:

Solvente: Sustancia que se utiliza para disolver y mezclar los ingredientes, se presenta en una proporción Mayor que los demás elementos. El agua es el más utilizado para estos tipos de bioplásticos.

Gelificante: Es la sustancia capaz de crear geles mediante el proceso de gelificación.  En la elaboración de bioplásticos también se les denominan “aglomerantes” ya que estos materiales son los encargados de unir los distintos fragmentos presentes en las recetas.

Los aglomerantes naturales usado para este propósito son:

  • Agar-agar
  • Alginato
  • Almidones
  • Gelatinas
  • Pectina
  • Carragenina
  • Quitosano
  • Entre otros

Plastificante: Sustancia que se utiliza como aditivo para mejorar la flexibilidad del biomaterial.

El plastificante usado en gran parte de las recetas de bioplásticos es la Glicerina (o glicerol), debido que es un producto que se puede obtener de origen vegetal, comercialmente fácil de conseguir y económico. También son utilizados como plastificantes el aceite de soya epoxidado, aceite de cardanol y aceite de linaza epoxidado.

Una mayor concentración de plastificante en el bioplástico genera que el material presente una mayor elongación, pero también reducirá su resistencia a la tracción.

Conservante: Los conservantes preservan y evitan la aparición de hongos en los bioplásticos.

Conservantes utilizados de origen natural para la creación de bioplásticos son:

  • Limón
  • Sal
  • Vinagre
  • Azúcar
  • Ajo
  • Clavo de olor

Además, se pueden agregar un material de relleno o “filler” que proporciona textura y color, como lo es la borra de café, cáscara de huevo, aserrín, etc.

 

                             a)                                                                                                b)

             Biomaterial a base de borra de café. a la izquierda se puede observar el material con conservante en su receta. A la derecha, el mismo biomaterial sin conservante que formo un hongo en su superficie (sector blanco). Fuente: elaboración Propia.


Punto de gelificación: un concepto clave para poder crear bioplásticos con los elementos mencionados es la temperatura de gelificación, que se define como la temperatura donde inicia el proceso de gelatinización y dependiendo del gelificante y la proporción de los elementos usados va entre los 36° a los 70° [C].

 

Gelificación: Proceso donde el gelificante al estar mezclado con agua y calentar la mezcla hasta la temperatura de gelificación, el granulo del gelificante empieza a absorber agua, hinchándose. Se pierde el ordenamiento interno del grano debido a que los polisacáridos que los componen empiezan a hidratarse (ruptura de puentes hidrógenos entre moléculas y reemplazados por moléculas de agua), donde finalmente el granulo se rompe parcialmente y se dispersan los polímeros de su estructura en la disolución.

 

Retrogradación: Proceso que se inicia después de la gelificación del granulo del gelificante. La pasta creada con las cadenas de polisacáridos disgregadas en la solución empezará a perder agua y las cadenas se re-asociarán nuevamente por puentes hidrógenos, creando estructuras parcialmente ordenadas que se refleja en un gel firme y rígido.

 

Sinéresis: Pérdida de agua retenida dentro del gel.

 

 Gelificación y retrogradación del almidón.

Uno de los gelizicantes utilizados para este estudio es el Almidón de papa. El transfondo de esta decisión es que de las 7500 variadades de papas a nivel mundial, el 95% de ellas tiene un ancestro común, la papa nativa chilena Purpura Casposa.

El otro gelificante que se utilizará es el Agar-Agar, ya que chile es uno de los principales productures a nivel mundial de este elemento, donde el año 2010 producia el 60% a nivel mundial de este ingrediente.

Procedimiento

En la investigación bibliográfica de este estudio, no se encontro una aplicación similar de bioplásticos a base de Agar-agar o almidón, por lo que se hace necesario experimentar y descubrir el potencial de estos biomateriales para ser incorporados en tecnologías de manufactura aditiva, en particular por el método de depocisión de material fundido (FDM), por la características de la pasta que se forma al cocinarlos.

Siempre y cuando no se diga lo contrario, se utilizarán las siguientes recetas:

Bioplástico a base de Agar-agar:

-200 [ml] de agua
-12 [gr] de Agar-Agar
-10 [ml] de glicerína

-3 [gr] de Propinato de calcio.

Bioplástico a base de almidón de papa.

-100 [ml] de agua.
-6 [gr] de almidón
-6 [ml] de glicerina
-6 [ml] de vinagre blanco.

Generación de capas.

La impresión 3D se basa en crear figuras mediante la superpocisión de capas. por lo que es necesario comprobar inicialmente si esto se puede crear con los materiales que se utilizan.

Para esto preparamos las formulas mencionadas hasta alcanzar el punto de gelatinización de los biomateriales e inmediatamente ponemos la pasta generada en una manga pastelera con una boquilla de area circular de 6 [mm] de diámetro. 
Con las manos, trazamos distintas figuras tratando de simular el proceso de la impresión 3D por depocisión de material fundido (FDM).
 

Experimentos de almacenamiento

Para poder ser impreso, el material lo debemos disponer de una forma tal que se pueda aplicar al método de impresión 3D de una manera fácil. Para esto se realizan dos experimentos:

Decantación: Con esta prueba se busca averiguar si la formula al ser mezclada no decanta y los ingredientes se mantienen en una mezcla homogénea, asi se podrían aplicar directamente a un extrusor que cocine las fórmulas e imprimirlas directamente. Tambien se estudiará si la temperatura afecta a este resultado.

Para esto se se disponen 4 vasos precipitados por fórmula de bioplastico, donde  uno se deja a temperatura ambiente, y los restantes se calientan hasta 45 [°C], 55 [°C] y 65 [°C]  (temperaturas bajo el punto de gelificación) agitandose constantemente.

Luego los vasos se dejan reposar y se mide el tiempo de decantación de cada uno de ellos.

Almacenamiento Hermético: Al preparar bioplásticos y dejarlos en contacto con el ambiente, estos se secan quedando en un estado solido. el siguiente experimento tiene como fin comprobar que al guardar los bioplásticos en un estado pastoso en contenedores herméticos, el proceso de retrogradación se frena y por cuanto tiempo.

Para esto se preparan las recetas de bioplásticos mencionadas y se cocinan hasta alcanzar el punto de gelificación y se almacenan 15 [ml] de cada una de ellas en 3 jeringas distintas. Y en un período de 24 [hrs] se comprueba que el material almacenado se encuentre en un estado fluidizado y pueda generar capas. se deja pasar 24 [hr] y este procedimiento se repite con las otras jeringas.

 

CONTEXTO
TÍTULO
Bioprinter- Aplicación de bioplásticos a base de Almidón y Agar-agar a tecnologías FDM
TIPO DE PROYECTO
INDUSTRIA
FECHA DE CONSTRUCCIÓN
2 de Agosto de 2021