Archivo de junio, 2012

Los materiales para salvar al mundo del Profesor Robert Wallach

Recientemente, el Profesor Robert Wallach, de la Universidad de Cambridge, ha participado en las clases de la titulación de Grado en Ingeniería de Materiales de la Universidad Politécnica de Madrid, donde además impartió el seminario “Materials Science to Save the World”.

La entrevista al Profesor Wallach está incluída en la serie de entrevistas de la UPM (3 min 22 seg):

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También, el vídeo del seminario está ahora disponible en el canal youtube de la UPM (1h):

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Nanotecnología (6): Biomineralización

Manuel Elices Calafat (Universidad Politécnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; National Academy of Engineering USA)

En el post anterior de esta serie sobre nanotecnología hablábamos del autoensamblaje de moléculas, que caracteriza la formación de materiales en los seres vivos.

Los fabricantes de materiales cerámicos buscan procedimientos baratos y eficaces para producir polvos muy finos —nanométricos— con el fin de elaborar cerámicas más fiables. Estos polvos tan finos se pueden sinterizar a temperaturas y presiones más bajas debido a su gran relación superficie/volumen. También permiten conseguir productos con menos defectos y con poros más pequeños; las cerámicas fabricadas a partir de nanopolvos suelen ser más tenaces que las cerámicas tradicionales. Ya se han fabricado prototipos de motores de explosión con componentes cerámicas a base de nanopolvos. Las ventajas son: menos peso, más resistencia a la corrosión y al desgaste, y mejor rendimiento. La dificultad está en conseguir nanopolvos baratos, ya que los procedimientos habituales —molienda y machaqueo— no permiten llegar a los grados de finura deseados. Por estos motivos los científicos han puesto los ojos en la naturaleza, en busca de ideas.

La naturaleza fabrica nanomateriales por biomineralización. Desde las nanobrújulas que usan las bacterias hasta las estructuras macroscópicas de las conchas de los moluscos, los corales o los colmillos de los elefantes, todas estas maravillosas estructuras, las ha producido la naturaleza depositando materiales inorgánicos sobre sistemas biológicos. La biomineralización implica la extracción selectiva de elementos del entorno y su incorporación en estructuras funcionales bajo control biológico. La biomineralización está teniendo un gran impacto en la ciencia de los materiales y en otras áreas como la paleontología y taxonomía (por los fósiles), la geoquímica, la sedimentología o el estudio de la evolución del clima.

La biomineralización suele ofrecer a los organismos algo más que un esqueleto; les proporciona movimiento, protección, flotabilidad y sistemas sensoriales que responden a los campos gravitatorio, óptico y magnético. Detengámonos, por curiosidad, en este último aspecto.

Parece ser que el campo magnético terrestre influye en el comportamiento de muchos seres vivos. Se pueden encontrar ejemplos en microorganismos —como bacterias y algas— abejas, salamandras, peces, tortugas, aves, mamíferos marinos y, posiblemente, en humanos. El ejemplo que se conoce mejor es el de la magnetorecepción y magnetonavegación de las bacterias con magnetosomas. R.P. Blakemore (1975) fue el primero que describió estos singulares microorganismos al observar cómo grandes poblaciones de bacterias acuáticas migraban siguiendo las líneas del campo magnético terrestre (Blakemore R.P. (1975) Magnetotactic bacteria. Science 190, 377-379).

Los magnetosomas de las bacterias, en esencia, están formados por un nanocristal magnético rodeado por una membrana. Los cristales más frecuentes son óxido de hierro en forma de magnetita, Fe3O4, y sulfuro de hierro en forma de geigita, F3S4. Ambos son ferrimagnéticos a temperatura ambiente y cristalizan con la estructura de la espinela inversa. El tamaño de los cristales siempre está dentro de unos límites muy estrechos —entre 35 y 120 nm— con objeto de optimizar la magnetización. Si las partículas son menores de 35 nm, tienen un comportamiento superparamagnético y no exhiben magnetización remanente. Y si son mayores de 120 nm, se pueden formar varios dominios magnéticos y, por lo tanto, reducir también la magnetización remanente. La naturaleza no deja de sorprendernos y nos muestra cómo la evolución ha optimizado el tamaño de los nanocristales para que sea el de un solo dominio magnético.

En muchas bacterias los magnetosomas están dispuesto en cadenas, de forma que los momentos dipolares magnéticos de cada nanopartícula sean paralelos al eje de la cadena. Con esta disposición, el momento magnético de la célula es la suma de los momentos de las partículas y la célula maximiza el momento magnético total. Este momento es suficientemente grande para que su interacción con el campo magnético terrestre supere las interacciones de origen térmico que tienden a orientar aleatoriamente las células en medios acuosos. La cadena de magnetosomas es una obra de arte de la bioingeniería y se comporta como la aguja de una brújula biomagnética. Las bacterias con magnetosomas han resuelto el problema de diseñar un dipolo magnético permanente, suficientemente pequeño para poderlo construir dentro de ellas y que les sirva para orientarse en el campo geomagnético mientras nadan.

Las nanopartículas magnéticas de las bacterias han sugerido numerosas aplicaciones, las más inmediatas centradas en sistemas de impresión y registro de datos. Una revisión excelente de las características más interesantes del magnetismo de sistemas de nanopartículas puede verse en un artículo de Hernando y González (Hernando A., González A. (2000) Nanoestructuras magnéticas: Un hito en el desarrollo de los materiales magnéticos. En Temas Actuales en Ciencia de Materiales (A. Conde et al. Eds.). Univ. de Sevilla, 39-71). Las dificultades para su comercialización aparecen cuando se intenta producirlas a escala industrial. Se ha trabajado en desarrollar un procedimiento comercial para un cultivo axénico masivo de bacterias con magnetosomas. Parece ser que la producción máxima está alrededor de 5 gramos de magnetita por cada 1000 litros.

La inmovilización de sustancias bioactivas es otra posible utilización de los nanoimanes y, también, se ha especulado sobre su utilización para transportar y administrar fármacos agresivos mediante campos magnéticos externos. En 1984, Schwartz y Blakemore patentaron el uso de las bacterias con magnetosomas para ensayos clínicos, inmunoensayos, separación de células y biosensores.

Matsunaga y Kamiya, en 1987, ya destacaron las ventajas de las nanopartículas procedentes de las bacterias frente a las nanopartículas artificiales que, fácilmente, forman agregados de 1000 a 2000 nm de diámetro y no son aptas para el transporte de fármacos (Matsunaga T., Kamiya S. (1987) Use of magnetic particles isolated from magnetotactic bacteria for enzyme immobilization. Appl. Microbiol. Biotechnol. 26, 328-332). Además, dichos investigadores compararon la actividad de la glucosa oxidasa y de la uricasa asociadas a nanopartículas magnéticas procedentes de bacterias y de nanopartículas magnéticas artificiales y encontraron que la actividad en las primeras era 40 veces superior y que podían reutilizarse hasta 5 veces, mientras que las sustancias bioactivas asociadas a partículas artificiales perdían el 80% de su actividad al cabo de cinco ciclos.

Otros organismos unicelulares, en este caso algas, producen filigranas calcáreas que nos cautivan por su sorprendente belleza: los cocolitos, a los que dedicaremos el próximo post de esta serie.

 

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Estudiar Ingeniería de Materiales: títulos de grado

Por José Miguel Atienza (Universidad Politécnica de Madrid)

 

La Ingeniería de Materiales

Nuestras vidas están íntimamente ligadas a los materiales. La habilidad para manipular, entender y usar de forma innnovadora los materiales es una medida importante del grado de sofisticación de una sociedad. De hecho, desde el comienzo de los tiempos, los historiadores han clasificado las edades de la humanidad de acuerdo a los materiales (las Edad de Hierro, Bronce,…).

No obstante, el campo de la Ciencia e Ingeniería de Materiales comenzó a considerarse como una disciplina a partir de mediados los años 1960s. Al principio, los Departamentos de Ciencia de Materiales eran fundamentalmente departamentos de metalurgia, dedicados a la investigación y docencia en el campo de los metales. Pero si el acero fue el principal responsable de la Revolución Industrial, en la segunda mitad del siglo XX ha sido un material muy diferente, el silicio, el que ha proporcionado el soporte para cambiar de forma radical nuestras vidas.

El comienzo del siglo XXI parece mostrarnos el amanecer de una nueva era en el mundo de los materiales, donde uno de los retos, cada vez más cercanos, es el ser capaces de reproducir (mimetizar) el procesado y las propiedades de los materiales biológicos y, entre otras cosas, ser capaces de controlar, curar y reemplazar los órganos y tejidos enfermos de nuestro cuerpo.

Hoy en día la Ciencia e Ingeniería de Materiales es un campo de conocimiento interdisciplinar que abarca el estudio de la estructura, propiedades, procesado y aplicaciones de todo tipo de materiales (metálicos, cerámicos, polímeros y biológicos) y engloba no solamente a los tradicionales materiales estructurales, sino también a los materiales funcionales, nanomateriales y biomateriales.

Los ingenieros de Materiales

La constante revolución tecnológica que supone la aparición de nuevos materiales para el transporte, la salud, la energía o la comunicación ha subrayado la necesidad de preparar profesionales con conocimientos amplios y multidisciplinares que dominen el lenguaje de las tecnologías del siglo XXI. Ante este desafío, hace ya algunas décadas que se introdujo en los países más desarrollados –especialmente en EEUU, Europa y Japón– la carrera de Ingeniería de Materiales. En todos estos países –además de diferentes másteres especializados– existe un título específico de Grado en Ingeniería de Materiales destinado a alumnos procedentes de la enseñanza secundaria, con una duración media de cuatro años.

Los ingenieros de materiales son los encargados de desarrollar los materiales que se requerirán para las nuevas aplicaciones, encontrar los procesos de conformado que los hagan económicamente viables, mejorar las prestaciones de los materiales existentes, considerar el impacto ambiental y la sostenibilidad de sus productos, ser capaces optimizar la selección de materiales y crear bases de datos precisas que sirvan para predecir sus propiedades y su comportamiento en servicio.

Los ingenieros de materiales suelen encontrar una magnífica acogida en el sector profesional y tienen un gran protagonismo en las industrias del automóvil, aeroespacial, energética, electrónica y química, tanto en España como en el extranjero, debido sin duda a los factores antes apuntados: la gran versatilidad de su formación y la importancia estratégica que los materiales tienen en el mundo actual.
El auge de nuevas áreas tecnológicas como la nanotecnología o la bioingeniería ha reforzado el carácter distintivo y singular de la titulación de Ingeniería de Materiales frente al resto de ingenierías, casi todas herederas de las aparecidas en el siglo XIX.

La titulación de Ingeniero de Materiales en España

En relación con el resto de países desarrollados, la Ingeniería de Materiales es una carrera relativamente reciente en España, ya que se introdujo en 1995, como carrera de segundo ciclo, bajo el impulso del Catedrático de la UPM, Manuel Elices Calafat. La Universidad Politécnica de Madrid fue la primera en implantar la nueva titulación, que luego pasó a impartirse en otras 13 universidades en el territorio español.

Con la llegada del Proceso de Bolonia y la adaptación al Espacio Europeo de Educación Superior, los responsables de las 14 titulaciones de Ingeniería de Materiales, de nuevo bajo la coordinación del profesor Elices acometieron durante el curso 2004-05 la redacción del Libro Blanco del Título de Grado en Ingeniería de Materiales, proyecto patrocinado por la Agencia Nacional de Evaluación de la Calidad y Acreditación (ANECA). El Libro Blanco, publicado a finales de 2006, realizaba un estudio exhaustivo de las titulaciones de Ingeniería de Materiales en Europa, Estados Unidos y Japón, y señalaba las líneas maestras para el diseño de los nuevos planes de estudios, mostrando además la necesidad de potenciar esta carrera por la demanda de las empresas y por la satisfacción de los egresados (ver libro blanco).

En el curso 2009/10, la Universidad Politécnica de Madrid y la Universidad Rey Juan Carlos (Madrid) fueron pioneras al implantar el título de Graduado en Ingeniería de Materiales de 4 años (240 ECTS). De esta forma se abría por primera vez en España la oportunidad de estudiar Ingeniería de Materiales directamente desde el final del bachillerato. En el año 2010/11 abrieron dicha titulación la Universidad de Barcelona y la Universidad Politécnica de Cataluña y en el 2011/12 se han incorporado la Universidad Complutense (Madrid) y la Universidad de Sevilla. Dada la buena acogida que están recibiendo, es previsible que en los próximos cursos se abran nuevas titulaciones de Ingeniería de Materiales en otras universidades.

El objetivo del Título de Grado de Ingeniero de Materiales es formar ingenieros con una gran preparación técnica interdisciplinar, capaces de desempeñar múltiples actividades relacionadas con los materiales en una gran variedad de sectores productivos; diseño del producto, selección, extracción, desarrollo y procesado de los materiales, incluyendo la modelización por ordenador, la aplicación de criterios de vida en servicio, el control de producción y de calidad; pueden realizar estudios y proyectos relacionados con los procesos de fabricación, transformación y de uso así como con el reciclaje, impacto y control ambiental, la restauración y rehabilitación.

El número de plazas de las diferentes titulaciones de grado en 2011-12 ordenadas según la nota de corte:*

- U. Politécnica de Madrid (75 plazas): Nota de Corte = 7,9
- U. Rey Juan Carlos (50 plazas): Nota de Corte = 6,5
- U. Politécnica de Cataluña (40 plazas): Nota de Corte = 6,2
- U. de Barcelona (40 plazas): Nota de Corte = 5,0
- U. Complutense (50 plazas): Nota de Corte = 5,0
- U. de Sevilla (35 plazas): Nota de Corte = 5,0

* Datos obtenidos de la web del Ministerio de Educación:
https://www.educacion.gob.es/notasdecorte/jsp/compBdDo.do

El Grado en Ingeniería de Materiales UPM y el Proceso de Bolonia

El Proceso de Bolonia ha sido una oportunidad única para renovar nuestras titulaciones y apostar por el futuro, por disciplinas estratégicas para la universidad y para nuestra sociedad. En concreto, la apuesta de la UPM ha sido elocuente, ha abierto cuatro nuevas titulaciones intercentros en sectores clave para el futuro de nuestro país: Materiales, Energía, Biotecnología y Biomédica. Estas titulaciones no tienen la historia y el nombre de las “herederas” de las ingenierías tradicionales pero a cambio cuentan con mucho mayor dinamismo y actualidad. En concreto, los aspectos diferenciadores del Graduado en Ingeniería de Materiales UPM se destacan a continuación:

- Interdisciplinariedad: En el documento The Engineer of 2020, la Academia Nacional de Ingeniería de EEUU hace hincapié en que el ingeniero del siglo XXI es esencialmente un ingeniero interdisciplinar. Una titulación intercentros como la de Ingeniero de Materiales parte de una situación de privilegio al incorporar un profesorado completamente interdisciplinar, integrado por profesores de siete Escuelas diferentes de la UPM y de ámbitos laborales muy variados (que incluyen a profesionales de la Medicina en la rama de Materiales para las Ciencias de la Vida), pero también a profesores de instituciones extranjeras. Para conseguir un ingeniero interdisciplinar es imprescindible un profesorado que aporte una visión interdisciplinar.

- Innovación Educativa: El proceso de formación sigue un modelo de calidad, con un sistema personalizado de tutorías y atención a los alumnos, en el que la Innovación Educativa juega un papel protagonista. La titulación de Ingeniero de Materiales cuenta con uno de los Grupos de Innovación Educativa más potentes de la UPM (GIE-GIM) que está siendo referente para la universidad en tres ámbitos: incorporación de las TICs en la docencia, trabajo en competencias genéricas (transversales) e internacionalización.
- Internacionalización: El Grado de Materiales es la única titulación de grado de la UPM que imparte un curso completo en inglés obligatorio para sus alumnos. Se trata de una apuesta decidida por la internacionalización de la oferta de grado. Pero una estrategia de internacionalización es mucho más que ofrecer contenidos en lengua inglesa, es un esfuerzo profundo por intentar introducir una dimensión internacional a nuestros programas que se ve reflejado en muchas iniciativas. Especialmente importante es el esfuerzo realizado por abrir los estudios fuera del ámbito europeo, a instituciones de USA y China. En los próximos meses se van a firmar los primeros acuerdos de Doble Titulación en estudios de grado con West Virginia University (USA), Tongji University (China).

- Investigación: En la docencia del Grado en Ingeniería de Materiales participan dos de los tres Grupos de Investigación más potentes de la UPM: Grupo de Dispositivos Semiconductores del ISOM y Materiales Estructurales Avanzados y Nanomateriales. Además, participan en la docencia centros de investigación de reconocido prestigio como: el Instituto Madrileño de Estudios Avanzados de Materiales (IMDEA), el Centro de Tecnología Biomédica (CTB) o el Centro de Seguridad y Durabilidad Estructural y de Materiales (CISDEM). Todo ello dota a la titulación de una capacidad científica muy adecuada, no sólo para impartir docencia en la vanguardia de la tecnología, sino para ofrecer a sus alumnos un abanico de posibilidades para continuar su formación con un segundo y tercer ciclo de primer nivel.

- Futuro: El título se integra perfectamente en el espíritu del Espacio Europeo de Educación Superior y satisface la creciente demanda de estos titulados dentro y fuera de nuestras fronteras, siendo además pionero en asignaturas como Nanotecnología, Biomateriales o Simulación Numérica. Con esta iniciativa la UPM desea, una vez más, realizar una apuesta por el futuro científico y tecnológico de la Sociedad Española y ser un motor del desarrollo de nuestro país.

- La Escuela: Ingeniería de Materiales es una apuesta de futuro desde uno de los centros de mayor tradición y prestigio de la Ingeniería en España. La Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad Politécnica de Madrid, fundada hace más de dos siglos, mantiene con éxito un modelo de enseñanza dirigido a formar ingenieros generalistas capaces de ejercer profesionalmente con autonomía y rigor.

Más información: www.materiales.upm.es

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El problema mecánico de los vasos sanguíneos

Por José Miguel Atienza (Universidad Politécnica de Madrid)

 

El cuerpo humano es un prodigio de ingeniería y una constante fuente de inspiración por la forma en que trata y resuelve muchos problemas ingenieriles. Cuando pensamos en el comportamiento mecánico del cuerpo solemos centrarnos siempre en los huesos, que son los materiales biológicos duros encargados de resolver cómo soportar las cargas de nuestro peso y permitir el movimiento.

Pero hay más… Por ejemplo: ¿cómo soportar las presiones generadas por esa bomba pulsátil que es el corazón, y hacer además que el flujo de sangre que sale a borbotones llegue a nuestros órganos en el régimen suave y estacionario que necesitan para su funcionamiento? ¿y cómo soportar eso durante cien años y cerca 3.000 millones de latidos? No es un problema mecánico sencillo y, a día de hoy, lo que podemos decir es que no disponemos de materiales artificiales que lo resuelvan de forma tan óptima como lo ha logrado la naturaleza.

¿Cuáles son las solicitaciones mecánicas que soportan nuestras arterias durante su funcionamiento?

Aunque a menudo se suele considerar que las arterias únicamente están sometidas a una presión interior, el estado tenso-deformacional en la pared de un vaso sanguíneo es complejo, ya que al efecto del fluido se le superponen las cargas impuestas por la interacción con el fluido y con el resto de tejidos circundantes:

- La presión interior: La presión sanguínea interior varía de forma importante a lo largo del sistema cardiovascular, alcanzando sus valores más elevados a la salida del ventrículo izquierdo del corazón. En un hombre sano la presión interior que soportan sus arterias oscila aproximadamente entre 80 y 120 mmHg. Las venas transportan sangre a una presión menor y sensiblemente constante, cuyo valor se sitúa entre 5 y 15 mmHg.

- Tensiones tangenciales: el flujo sanguíneo, además de la presión, produce tensiones tangenciales. No es fácil conocer el nivel de las tensiones tangenciales en el endotelio dada la imposibilidad de medida directa, pero algunos autores citan valores entre 1.5 y 3Pa. Pese a moverse siempre dentro de valores muy pequeños, la tensión tangencial -a través del efecto producido en las células endoteliales- se considera un factor directamente relacionado con el desarrollo de procesos ateroscleróticos y de remodelación arterial.

- Alargamiento longitudinal: los vasos sanguíneos se encuentran estirados longitudinalmente en el interior del cuerpo durante su funcionamiento normal. Esto se confirma observando su contracción cuando son extraídos. El valor del alargamiento axial in vivo depende del tipo de vaso, de la edad y la patología, entre otros factores. Este alargamiento puede llegar a generar en el vaso tensiones tan importantes como las producidas por la presión interna.

La respuesta mecánica de las arterias

Ante esta solicitación mecánica compleja, las arterias tienen una respuesta caracterizada por las siguientes propiedades:

- Incompresibilidad: Los tejidos que componen la pared vascular contienen cantidades importantes de agua, entre el 70 y el 80% en peso. Por ello es habitual considerar el material (como la mayoría de los materiales blandos) incompresible.

- Elasticidad no-lineal: El comportamiento mecánico de las arterias es altamente no-lineal. La pared arterial está formada, fundamentalmente, por músculo liso, elastina y colágeno. La respuesta del vaso desde las presiones bajas o moderadas, hasta los valores correspondientes al rango fisiológico, es muy flexible y está gobernada fundamentalmente por las fibras elásticas que entran en funcionamiento incluso con pequeños valores de la deformación. La rigidización para deformaciones mayores sucede por el reclutamiento y alineamiento de las fibras de colágeno, que a medida que se deforma el vaso se alinean y orientan, perdiendo sus ondulaciones.

Figura 1: Contribución de las fibras elásticas (elastina) y del colágeno al comportamiento mecánico de la pared vascular

- Grandes deformaciones: Los vasos sanguíneos están sometidos habitualmente a grandes deformaciones tanto en la dirección longitudinal (alargamientos longitudinales) como en la circunferencial (fruto de la presión interior), que en muchos casos pueden superar el 50% de deformación.

- Anisotropía: Debido a la diferente disposición y distribución de las fibras elásticas y de colágeno y las células musculares, el comportamiento de un vaso sanguíneo en dirección circunferencial difiere del que tiene en la dirección longitudinal.

- Dependencia del tiempo: La respuesta mecánica del tejido vascular varía en función de la velocidad y duración de la carga aplicada, y de si ésta es monótona o cíclica, lo que tiene gran importancia para el funcionamiento en el interior del organismo ya que la mayor parte de las cargas actuantes son pulsátiles. Al someter un elemento de pared vascular a solicitaciones cíclicas la curva tensión-alargamiento describe un ciclo de histéresis más o menos amplio en función del tipo de vaso. El área entre los dos caminos representa la energía disipada en el ciclo y da idea de la capacidad de amortiguación de la pared vascular.

Figura 2: Histéresis de la curva carga-descarga de la pared arterial

En conjunto, estas cinco propiedades definen un material tremendamente complejo desde el punto de vista mecánico pero óptimo para el funcionamiento de nuestro cuerpo. La flexibilidad y el amortiguamiento que presenta la respuesta mecánica de las arterias son claves para nuestro sistema circulatorio. De hecho, muchas enfermedades cardiovasculares están relacionadas con el deterioro de esta respuesta.

¿Cómo logra la pared arterial ese comportamiento? Mejor lo dejamos para otro post, pero lo cierto es que aún no lo tenemos del todo claro. Comprender el comportamiento mecánico de la pared arterial resulta imprescindible para entender la fisiología de nuestro sistema vascular, así como para el desarrollo de los tratamientos y técnicas para enfrentarse a los distintos problemas cardiovasculares. Pero aún estamos lejos de tener un modelo capaz de tener en cuenta factores tan importantes como el comportamiento dinámico, la influencia de la edad o los efectos de las diferentes enfermedades.

La complejidad del problema y su trascendencia para la salud justifican, cada vez más, la colaboración interdisciplinar de médicos, biólogos e ingenieros. Y, en este contexto, la Ciencia e Ingeniería de Materiales está demostrando ser una herramienta útil para aportar luz sobre el comportamiento mecánico de los materiales biológicos y tratar de crear biomateriales capaces de reemplazarlos cuando se deterioren. Dentro de esta colaboración interdisciplinar es fundamental que cada uno ocupe y sea consciente del lugar que le corresponde. Los problemas médicos y biológicos son tremendamente complejos, afectan muchas variables y funciones que sólo los médicos pueden entrever en su totalidad. El papel de los Ingenieros de Materiales no es, desde luego, resolverlos, sino apoyar a los médicos, utilizando sus conocimientos y sus herramientas para dar luz sobre una pequeña, pero importante, parte del problema.

 

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