ESTABILIZACIÓN DE POLITRAUMATISMOS ÓSEOS EN EXTREMIDADES DE ANIMALESQUE NO REQUIEREN CIRUGÍA

PODRAN OBSERVAR UN VIDEO EXPLICATIVO AL FINAL DE LA PÁGINA.

MSc Marcelo Adrián SANTAMARÍA BRUNENGO: Universitat Politècnica de València Doctoral School, Valencia, Spain. 0009-0001-3101-4056Dr Santiago FERRÁNDIZ BOU:Mechanical and materials engineering department, Universitat Politècnica de València, Valencia, Spain. 0000-0001-7137-9298 Responsible author: Marcelo A. Santamaría Brunengo (marsanbr@masters.upv.es)

Este proyecto está enfocado en la estabilización de lesiones óseas en veterinaria. La mayoría de los dispositivos existentes en el mercado han sido desarrollados a partir de sistemas usados anteriormente en medicina, pero no hay investigaciones específicas con resultados asequibles en el mercado, tanto a nivel de disponibilidad como de precio. Existen un número muy grande de variables que hacen que las férulas y sistemas de estabilización habituales no sean suficientemente útiles en veterinaria, las dos más importantes son...

• -La economía de escala: es menos habitual tratar animales que personas, por lo que los sistemas veterinarios son muy costosos en proporción, teniendo en cuenta, además, el valor intrínseco asignado a la vida humana y a la vida animal.

• -La diversidad de dimensiones: Entre un percentil 5 y un percentil 95 en humanos la diferencia dimensional es relativamente pequeña (percentil 5 1,53m 47 kg -percentil 95 1,96m 102kg) solo en canes la diferencia dimensionales mucho mayor (percentil 5 0,18m 0,3kg –percentil 95 0,8m 105kg) si tenemos en cuenta que los sistemas de estabilización deben utilizarse incluso en diferentes especies, esto es un gran problema.

Fig. 1 Diferencia porcentual del peso de algunas mascotas y los humanos

Fig. 2Diferencia porcentual de la talla de algunas mascotas y los humanos,

Fig. 3 Puntales que requieren ser satisfechos para conseguir un resultado adecuado.

El proyecto se origina a partir de la solicitud de un veterinario especializado en traumatología canina, quien identificó dificultades para estabilizar mascotas de tamaños o razas poco comunes. Buscó desarrollar férulas ajustables mediante impresión 3D, también para especies no caninas, enfrentando varios desafíos. Primero, la diversidad de férulas para perros y la variabilidad anatómica de otras especies complican el desarrollo de soluciones adaptadas. La impresión 3D, además, es un proceso lento y la resistencia mecánica de los materiales comunes es insuficiente. Muchos veterinarios carecen de impresoras 3D, así como de conocimientos y recursos para su uso.

Asimismo, la necesidad que este veterinario identificó tenía un trasfondo más amplio. En contextos menos favorecidos, la atención animal es escasa, y muchos animales domésticos no reciben tratamiento por falta de recursos o cultura veterinaria. Anualmente, cientos de miles de mascotas mueren por ausencia de asistencia. La situación es aún más grave en animales de granja, donde el valor de la vida se mide por el valor de mercado. Ejemplos incluyen el sacrificio de cerdos por lesiones, ya que los costos de tratamiento superan su valor. Otros animales, como caballos y perros de caza, también son sacrificados por lesiones a pesar de que podrían recuperarse, dado el alto costo de los tratamientos.

En contraste, en países desarrollados, animales callejeros golpeados suelen ser atendidos por protectoras. Sin embargo, en muchas partes del mundo, los animales heridos son abandonados sin recibir la atención que requieren. Dispositivos de estabilización eficaces y accesibles podrían prevenir estos sacrificios innecesarios.

Existen en todo el mundo numerosos proyectos que pretender resolver el problema de pacientes concretos, pero no se ha abordado aúna nivel general este problema por considerarse irresoluble.

Fig. 4 Ejemplo de férulas de diferentes especies animales.

El objetivo es desarrollar un producto dinámico que permita, introduciendo la especie, la raza, las medidas y la lesión, recibir de forma gratuita un archivo 2d o 3d con el diseño de la férula que se necesita para poder asistir al paciente, en función de la o las tecnologías que finalmente se consideren más convenientes. Evidentemente la impresión 3Des una de ellas, aunque presenta algunos inconvenientes bastante importantes que buscamos resolver.

Como el estado del arte no refleja la realidad del sector al que apuntamos ya que existen cosas, la gran mayoría en desuso y otra buena parte aplicable solo a determinados sectores de los países del primer mundo, decidimos hacer una encuesta con veterinarios de diferentes sitios y contextos. Nuestro propósito no era simplemente identificar la situación de nuestro entorno, sino comprender la realidad en la mayor medida posible, ya que nuestro proyecto no se limita a un avance geográfico específico donde, en mayor o menor grado, los problemas detectados estarían apenas atendidos, aunque no de la mejor manera. En cambio, buscamos abordar problemas en las áreas donde la situación es más grave y las muertes y lesiones son más comunes debido a la falta de recursos o presupuesto. Teniendo claro nuestro enfoque para recopilar la información, nos pusimos en contacto con veterinarios de diversos países, logrando que 149 profesionales de 23 países se comprometieran a participar. Sin embargo, al final, solo 119 respondieron dentro del plazo establecido.

Fig. 5 Países a los que pertenecen los veterinarios que han respondido a la encuesta.

La mayoría de las preguntas no eran directamente cuantificables, sino que debían ser interpretadas. La información que necesitábamos a menudo dependía de conceptos que no se pueden medir de manera precisa, dado que se buscaba entender circunstancias relacionadas con problemáticas específicas. A partir de los resultados obtenidos, logramos llegar a ciertas conclusiones que reflejan la realidad, más allá de lo que se observa a simple vista en nuestro entorno, permitiendo incluso cuantificar algunas de las circunstancias y factores contextuales.

Primero, es fundamental reconocer la diversidad geográfica y las circunstancias particulares de los encuestados. A nivel mundial, logramos recopilar información de al menos algunos profesionales en cada continente, lo que nos proporciona una dispersión geográfica valiosa para contar con una referencia confiable. Sin embargo, es cierto que fue mucho más sencillo obtener información en Europa y América, mientras que, en otros continentes, a pesar de haber realizado el mismo número de consultas, el feedback no fue comparable. Lo mismo ocurrió en los diferentes países, donde el acceso a la información variaba.

Gráfico 1 Frecuencia con que debe improvisar con el estabilizador.

Gráfico 2 Frecuencia con que debe improvisar con el estabilizador.

Gráfico 3 Abandono o sacrificio de animales lesionados.

Con esta información se desarrollaron tres tipos de férulas, de las cuales dos eran mecanizadas y la otra impresa.

Desarrollo del material

Uno de los inconvenientes identificados es que no existe en el mercado un material que facilite la solución que intentamos desarrollar por dos motivos fundamentales.

• -La temperatura de ablandamiento en materiales que tienen propiedades mecánicas aceptables, en general, es muy alta, lo que podría provocar, incluso habiendo vendado anteriormente al animal una quemadura.

• -El módulo flector de los materiales termoplásticos que nos permitirían un producto solvente es insuficiente en muchos casos, especialmente en férulas para animales grandes.

En esta sección, abordamos la integración de otros proyectos de investigación que, aunque inicialmente no tienen como objetivo desarrollar materiales específicos para nuestras necesidades, presentan características similares a las que buscamos para nuestra materia prima. Esto nos permite llevar a cabo una investigación complementaria para generar un material específico, en este caso, el RHR.

El proyecto RHR parte del hecho de que, aunque cada vez en menor medida, la mayoría de los plásticos utilizados en la industria provienen aún del petróleo. A través del análisis del ciclo de vida de estos productos, se ha conseguido información relevante sobre cómo la incorporación de biomateriales puede favorecer un futuro más sostenible.

Es bien conocido que estos plásticos suelen mezclarse con aditivos, cargas y refuerzos, como fibra de vidrio y talco, para lograr las propiedades deseadas. La mayoría de las materias primas mencionadas se derivan del petróleo crudo, lo que implica que los complejos procesos químicos empleados generan cantidades significativas de dióxido de carbono que impactan negativamente en el medio ambiente. Al optar por materiales alternativos, buscamos reducir las emisiones de CO2 desde el inicio del proceso de producción, sin sacrificar los altos estándares de calidad requeridos,

El RHR es uno de esos materiales prometedores que puede contribuir a la fabricación de productos sostenibles y neutros en emisiones de CO2. Además, el desarrollo de este material demuestra que es posible conseguir simultáneamente sostenibilidad y eficiencia económica.

¿Qué es el RHR?

El RHR se obtiene de la cáscara del arroz, que es uno de los cereales más cultivados en el mundo y un alimento esencial para gran parte de la población en los países más densamente poblados. Sin embargo, antes de que el arroz se utilice como alimento, es necesario eliminar su cáscara exterior, que es indigesta para los humanos. La producción mundial de arroz se estima en alrededor de 800 millones de toneladas, de las cuales aproximadamente el 20 % son cáscaras de arroz, es decir, cerca de 160 millones de toneladas anuales. Como un subproducto sin utilidad, estas cáscaras suelen ser quemadas para generar cenizas ricas en sílice, que se utilizan en la fabricación de cemento.

El ácido silícico, presente en muchas plantas, mejora su resistencia. La cáscara de arroz está compuesta aproximadamente por un 20 % de sílice (ácido silícico) y cerca de un 80 % de materia orgánica (conteniendo un 40 % de celulosa, un 30 % de lignina y un 10 % de ácidos grasos). Casi el 40 % de esta materia orgánica se convierte en CO2, el cual es absorbido de la atmósfera durante el ciclo vital de la planta. Esta composición se mantiene incluso cuando se procesan las cáscaras para obtener RHR, y permanece estable en el producto final fabricado con este material.

El proceso para producir RHR consiste en una conversión que se realiza en un tanque bajo condiciones atmosféricas normales. Se añaden enzimas, que también provienen de la planta de arroz, para transformar los ácidos grasos en un polímero natural. Finalmente, al aplicar presión y temperaturas de hasta 125 °C, se genera el RHR en forma de polvo. Es crucial mencionar que no se trata solo de una carga, como el serrín o el talco, añadida a un polímero; en realidad, se crea un nuevo polímero biodegradable que se mezcla con el polímero base.

Para esta segunda parte del proyecto, lo primero que resolveríamos es el material para las férulas impresas en 3D.

Asabiendas de que las dificultades que presenta en la impresión el PVC, nuestra primera opción por propiedades mecánicas y otros materiales, hemos hecho pruebas sencillas para determinar que otros materiales habituales, que tengan una alta compatibilidad con el RHR podría permitirnos trabajar en impresión 3D y posteriormente ajustarse a los requisitos de la férula.

De las alternativas ensayada los más idóneos resultaron ser el PLA (el más habitual en impresión 3D), el mismo policloruro de vinilo, y el HDPE, el cual presenta un pequeño inconveniente en la impresión que es las grandes contracciones al enfriarse, contracciones que se reducen entre un 55% y un 75% con la incorporación de RHR dependiendo del porcentaje incorporado, una característica no sabida hasta entonces. Lamentablemente debimos a posteriori descartarlo, porque pese a ser a priori la mejor alternativa por prestaciones, fabricación y precio, nos encontramos con una temperatura de flexión térmica durante los ensayos que no bajaba de los 100ºC, algo que nos proponía en su conjunto un material más que interesante pero no para nuestro proyecto, ya que las férulas requieren para ser modeladas a posteriori una temperatura de flexión bastante menor, como ya hemos visto.

Este proceso de extrusión es bastante sencillo y, a diferencia del laminado, no requiere grandes cantidades de materiales para ensayar las formulaciones.

A partir de los antecedentes bibliográficos y la experiencia en el laminado se partió con la premisa de comenzar con tres tipos de carga de RHR para cada polímero base.

La extrusora utilizada fue una máquina de tornillo simple DA 17,5 mm, cónico en acero nitrado K110, servomotor con motorreductor de 2,1 Nm y dos zonas de termo regulación. Unidad de enfriamiento mixta (aire/agua), rodillo tractor individual y dispositivo de bobinado, ambos de goma inerte para evitar contaminación.

Fig. 5 Ejemplo de plantilla de registro de parámetros principales de cada muestra completado con los datos de una partida de extrusión.

Se utilizaron las formulaciones más eficientes en el laminado para comenzar el proceso y se fueron adaptando los parámetros (temperaturas, velocidades, aditivos, etc.) poco a poco para obtener el resultado más adecuado posible.

Hay que tener en cuenta que en este caso no solo necesitamos producir adecuadamente la materia prima, sino que además ésta debe ser capaz de ser utilizada en otro proceso de transformación termoplástica, algo que no era necesario en el caso anterior donde iba a ser mecanizado. Los ensayos con PLA, en primera instancia, dieron grandes problemas de integración, pero una vez ajustados algunos parámetros, principalmente los aditivos, el material se obtuvo con facilidad para formulaciones de baja y media cantidad de RHR, las del 70%resultaron inviables, no obstante, sí se consiguió llegar de manera operativa / rentable al 60%.

Uno de los problemas que nos encontramos es que una de las características deseables representa un problema para su utilización como materia prima en los sistemas habituales, concretamente cuanto más aumentaba el módulo flector menos posible era bobinarlo, por lo que se quebraba el hilo y solo podríamos alimentar la impresora con varillas rígidas.

En el caso del PVC los resultados fueron menos positivos ya que al 40% de RHR el material se volvía heterogéneo o inestable.

Llegados a este punto cabe destacar el porqué de la insistencia en resinas como el PVC si el PLA da mejores resultados y es biodegradable. La respuesta es simple, el PLA cuesta entre el 500% y el 1600% más que el PVC, lo que en términos de viabilidad económica lo vuelve inconveniente. No obstante, existe un matiz al respecto. En producciones industriales esta diferencia es prohibitiva, pero en fabricación individual, algo que ocurriría cuando la férula la imprima un particular, el precio del hilo con carga comparado con los hilos habituales 100%PLA sería, de coste, incluso menor, más allá de las diferencias que genera el mercado por economía de escala o márquetin.

Una vez definidas las formulaciones que consideramos idóneas, se procedió a dos tipos de ensayo de forma paralela.

Por un lado, los ensayos habituales con probetas inyectadas y por otro, pruebas de impresión en impresoras3d MDF y posteriormente pruebas comparativas con el mismo diseño impreso solo en PLA o PVC. Todas las pruebas, llegadas a este punto se realizaron con las siguientes formulaciones.

Fig. 6 formulaciones ensayadas para hilo de impresión 3D.

Fig. 7 Probetas de ensayo inyectadas con los materiales considerado más idóneos, obtenido de las pruebas y formulaciones.

Los ensayos mecánicos y de comportamiento térmico se realizaron en las tres alternativas de plástico con RHR y en las dos sin carga. La síntesis de los resultados de las probetas es la siguiente.

Fig. 8 Resistencia a la flexión en MPa por material y porcentaje de RHR.

Fig. 9 Dureza en Shore D por material y porcentaje de RHR.

Fig. 10 Flexión térmica en ºC por material y porcentaje de RHR.

Fig. 11 Punto de fusión en ºC por material y porcentaje de RHR.

Fig. 12 Izq.: Extrusión para impresión 3D de PLA 37% + RHR 60%.

Fig. 13 Der.: Extrusión para impresión 3D de PVC67% + RHR 30%.

Fig. 14 Der.: Extrusión para impresión 3D de PLA 67%+RHR 30%

La segunda parte de este proceso consistía en imprimir las férulas en 3d con el material en cuestión y ver su comportamiento en una simulación de uso, no podemos estresar a un animal para comprobar un material si no es necesario.

Lo que debíamos comprobar era...

• -Si era posible la impresión en una impresora MDF estándar.

• -Si el material podía doblarse suficientemente a la temperatura necesaria

• .-Si perdía propiedades mecánicas una vez retornada la temperatura de uso.

• -Llevarla a situación de rotura para estimar cual era el umbral.

Cabe recordar que en esta etapa no se evalúa la eficiencia o no de las férulas, solo el material.

Entre las cinco muestras ensayadas encontramos que las muestras de material virgen tenían claramente menos performance, a diferencia de las que llevaban carga. Entre ellas, lo que más determinó una diferencia tangible en materia de características propias del material fue la temperatura de flexión térmica, ya que las relacionadas con la resistencia mecánica, a la hora del uso, poco influía. Hay que observar aquí que en todos los casos había un sobre dimensionamiento, no por cuestiones mecánicas, sino por cuestiones morfológicas, las férulas deben tener unas medidas determinadas y unos espesores mínimos para evitar lesiones. Deberá analizarse aparte casos menos habituales como férulas para grandes animales (por lo pronto estamos incluyendo en el estudio a pequeñas y medianas mascotas) o circunstancias con requerimientos clínicos específicos, como entallas para tratar heridas o cirugías sin quitar las férulas.

Otro factor que nos requirió especial atención fue el control de los parámetros de impresión, ya que para los materiales vírgenes conocíamos los recomendados, pero para estos nuevos materiales debimos hacer pruebas de ajuste. El compuesto en base PVC fue el que más nos condicionó y aun habiéndose ajustados los parámetros, la impresión no fue completamente limpia. Una alternativa con el PVC que resultó útil fue realizar la impresión en una impresora con mayor diámetro de boquilla, pero es algo que preferimos evitar, ya que, el objetivo último es que puedan imprimirse en cualquier impresora, sin necesidad de cambiar el hardware.

Fig. 15 Impresión de férulas escogidas para las pruebas de materiales impresos.

Fig. 16 Dos modelos escogidos para las pruebas de materiales impresos.

Primeras conclusiones.

Fig. 17 Dos modelos escogidos para las pruebas de materiales impresos.

Teniendo en cuenta que el material en base PVC es el que más resistencia mecánica tiene, algo que no está comprometido en la mayoría de nuestras férulas y que si podría llegar a estarlo en las férulas de mayores dimensiones, hemos dejado esta alternativa para cuando se desarrollen férulas para animales grandes o muy grandes, con el añadido de que al ser férulas de mayor tamaño necesitaremos impresoras especiales, lo que facilitaría modificar parámetros como el diámetro de las boquillas o del del hilo, cosa que hemos intentado evitar para que con cualquier impresora se pueda hacer una férula, como ya comentamos. En este momento se sigue trabajando para ajustar los parámetros finales de los materiales resultantes y para obtener por laminado materia prima que nos permita fabricar las férulas mecanizadas.

VIDEO EXPLICATIVO.

https://fb.watch/vx7E5ihra7/

Bibliografía:

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