‘Autor: J.M. Atienza’

Estudiar Ingeniería de Materiales en otros países: el INSA de Lyon

Por José Miguel Atienza (Universidad Politécnica de Madrid)

Poco a poco, vamos a intentar presentar los principales programas de Ingeniería de Materiales tanto en Europa como en el resto del mundo. Nos vamos a centrar especialmente en aquellos en los que los alumnos pueden hacer intercambios académicos debido a los acuerdos establecidos por la UPM y trataremos de destacar los aspectos que, desde nuestro punto de vista, los hacen más interesantes.

Estudiar Ingeniería de Materiales en el INSA Lyon

El Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, creado en 1957, es la institución fundadora de la red nacional INSA, que además tiene otras sedes en Toulouse, Rennes, Rouen, y Estrasburgo. INSA forma cada año cerca de un 12% de los ingenieros franceses. Y no es exagerado decir que en la Red INSA, INSA Lyon es el centro más importante de todos.

INSA

Deptos. de Ingeniería

Especialidades

Numero de estudiantes

Número de docentes

Número de laboratorios

Población de posgrado

LYON

10 12 4,600 450 24 600

RENNES

6

6

1,450

140

10

150

ROUEN

6

7

1,200

120

12

135

STRASBOURG

8

8

1,200

100

8

50

TOULOUSE

9

10

2,100

220

11

350

RED INSA

39

43

10,550

1,030

65

1,285

 

INSA Lyon está considerada entre el 4º y 5º lugar en algunos ránkings de las grandes escuelas de ingeniería de Francia, siendo la primera en el grupo de las que tienen acceso directo desde el bachillerato (en Francia algunas Escuelas Superiores tienen su examen de acceso para un nivel equivalente al tercer año de universidad). También está reconocida como la principal universidad de ingeniería fuera de París.

Vista panorámica de Lyon.

Estructura de los estudios

Todos los alumnos que entran a INSA Lyon comparten los dos primeros años de estudio (llamado Primer ciclo) en los cuales reciben una formación científica de base común, incluyendo trabajos prácticos así como formación en competencias genéricas.

Es al entrar en el tercer año cuando los alumnos eligen especialidad. El segundo ciclo tiene una duración de tres años. Los estudiantes tienen que elegir uno de los 12 programas de ingeniería existentes:

Biochimie et Biotechnologie /  Bio Informatique et Modélisation / Génie civil et urbanisme / Génie électrique /  Génie énergétique et environnement /  Génie mécanique conception / Génie mécanique développement /  Génie mécanique procédés plasturgie /  Génie Industriel / Informatique /  Science et Génie des Matériaux / Télécommunications, Services et Usages

Al final del quinto año, el alumno recibe el título de Ingeniero que, en líneas generales, es parecido al Ingeniero Superior español previo a la Reforma de Bolonia. Se trata, por tanto, de una estructura de estudios que incluye en un solo título grado y máster o, como se suele llamar ahora, máster integrado

Para nosotros existen dos puntos muy llamativos de los programas del INSA:

a)- Se trata de una escuela con una clara apuesta internacionalizadora:

El INSA de Lyon tiene una muy buena política de fomento de los intercambios internacionales. En total, tienen del orden de 250 acuerdos con universidades extranjeras. El 77% de los titulados realiza un intercambio internacional de más de 6 meses.

Aunque esa cifra pueda no llamaros demasiado la atención, en realidad es impresionante. Conviene que la comparéis con los datos globales del programa ERASMUS. Ciertamente el programa ERASMUS ha sido un éxito pero a veces perdemos la perspectiva en cuanto a los números: Los resultados presentados por la Unión Europea en 2011 muestran que, aún continuando con el crecimiento, en los países europeos la media de los titulados que han pasado al menos un semestre en el extranjero es del 4,5%. Lo cierto es que España es uno de los líderes en este aspecto, rondando el 10%. Comparad estas cifras con las del INSA Lyon…

Edificios en el campus del INSA de Lyon.

Algunos datos más a este respecto: El 28% de los estudiantes son extranjeros. Además, los programas dan gran importancia a los idiomas: los alumnos tienen que estudiar dos lenguas además del francés. En INSA Lyon se enseñan 10 lenguas diferentes; y hay que decir que, después del inglés, el español es la más demandada.

b)- Los programas de prácticas en empresa

El otro aspecto realmente llamativo para nosotros es su programa de prácticas en empresa. Al final del cuarto curso, los alumnos tienen la posibilidad (opcional) de realizar una estancia en empresa durante tres meses. El final de las clases se adelanta a mayo para favorecerlo.

Pero lo más importante es que el segundo semestre del quinto curso se realiza (de forma obligatoria) íntegramente en una empresa, es decir, es una estancia de 6 meses en empresa. Estas estancias pueden realizarse en Francia o en otros países.

Science et Génie des Matériaux

La carrera de Science et Génie des Matériaux en INSA Lyon es uno de los programas en Ingeniería de Materiales más importantes y consolidados de Europa. Cada año producen del orden 75 nuevos ingenieros de materiales y cuentan con tres especialidades: Materiales Estructurales, Polímeros y Materiales Funcionales.

El programa de intercambio con Ingeniería de Materiales UPM

En Ingeniería de Materiales UPM tenemos una larga tradición de intercambios con INSA Lyon. La buena experiencia de ambas universidad nos ha llevado a aumentar el número de plazas disponibles (tres alumnos-año, equivalente a 6 alumnos-semestre). Estamos intentando potenciar esta relación de forma que los alumnos de la UPM que realicen un semestre allí puedan además participar en su programa de estancias en empresa. También estamos trabajando en el establecimiento de una doble titulación y próximamente iniciaremos el intercambio a nivel de personal docente.

El Campus. Lyon

El INSA de Lyon tiene capacidad para alojar en el propio campus a 3300 estudiantes en 10 residencias. La vida en el campus es intensa, existen más de 100 asociaciones de estudiantes, además disponen de la Maison des Étudiants (+1000 m²).

INSA Lyon está situada en el campus LyonTech (la Doua), en la ciudad de Villeurbanne, donde comparte espacio con varias universidades, especialmente con la Universidad Lyon 1 Claude Bernard. Si bien puede considerarse como una ciudad, Villeurbanne es un área residencial situada a las afueras de Lyon. En concreto, el Campus La Doua se encuentra a aproximadamente 30 minutos en metro-tranvía del centro de Lyon

Lyon es una ciudad bellísima, destino muy recomendable desde Madrid, ya que hay vuelos directos de Iberia y alguna compañía Low Cost, con precios entre 100 y 200 euros, y apenas dos horas de avión. Aquí podéis descubrir más cosas sobre Lyon:

http://www.jotdown.es/2012/11/lyon-rincones-para-conocer-comer-pasear/

PD: Cuando uno llega al aeropuerto de Lyon no debe perder la oportunidad de dar un paseo por la estación de tren anexa al aeropuerto. Está diseñada por el arquitecto e ingeniero Santiago Calatrava.

Estación de Lyon Saint-Exupery. El edificio fue diseñado por Santiago Calatrava.

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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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The Greatest Materials Moment

Por José Miguel Atienza (Universidad Politécnica de Madrid)

 

Durante 2006, la Minerals, Metals & Materials Society (TMS) realizó una votación online para elegir el Momento más importante de la Historia de los Materiales. Previamente el equipo de la revista Journal of Minerals, Metals & Materials (JOM) había seleccionado los 100 nominados entre más de 600 candidatos propuestos por TMS. Casi mil votantes online eligieron su lista de los 10 grandes momentos entre los 100 nominados.

Un Gran Momento de los Materiales fue definido como un acontecimiento (observación, intervención, invención) humano que condujo a un cambio de paradigma en la comprensión del comportamiento de los materiales, introdujo una nueva era en la utilización de los materiales y/o produjo cambios socioeconómicos significativos en la Humanidad por el nuevo uso de los materiales.

Finalmente, el Momento elegido como el más importante de la Historia de los Materiales fue la elaboración de la primera Tabla Periódica, por Dmitri Mendeleev en 1869. Mendeleev comparó los elementos conocidos y encontró que sus propiedades dependían de manera regular del cambio de peso atómico. Entonces, decidió presentar sus resultados en forma de tabla agrupando a los elementos con propiedades semejantes e incluso prediciendo las propiedades de los “huecos” que faltaban, así surgió la primera Tabla Periódica. Su trabajo permitió sistematizar y ordenar la Química dotándola de una gran capacidad predictiva.

Primera Tabla Periódica de Mendeleev (1869)

Además de Mendeleev, el top 10 pone de manifiesto el carácter interdisciplinar de la Ingeniería de Materiales: podemos encontrar momentos relacionados con la metalurgia del acero y del cobre, pero también el vidrio, el transistor, la microscopía óptica o los rayos X. Por supuesto, esta lista de TMS y JOM, como todos los ránkings, es muy discutible, pero merece la pena echar un vistazo a esos 100 nominados que recorren la Historia de la Humanidad, desde el 28.000 antes de Cristo hasta el año 1991. Os invitamos a ello:

http://www.materialmoments.org/top100.html

Cada uno tendrá sus propios favoritos. Reconozco que lo primero que yo comprobé fue que por allí estaba A.A.Griffith con su “extraña” explicación de la rotura de los materiales. También  me gustó ver a Stephanie Kwolek, siempre me cayó bien esa mujer pequeñita que adora la costura y la jardinería y que, sólo contando en EEUU, ha salvado la vida a más de tres mil policías. Es buenísima esa anécdota de que un día se le acercó un corpulento agente de policía, ella apenas mide 1.50, y le pidió que por favor le dedicara un autógrafo en su chaleco antibalas, acababa de parar dos balas que iban dirigidas directamente a su corazón.

En cualquier caso, lo que impresiona al ver la lista es el tremendo impacto que los materiales han tenido en nuestro mundo, en nuestra vida. Y también su evolución, que al final es la evolución que realmente ha vivido la Ingeniería de Materiales, desde aquellos primeros “ingenieros” centrados casi exclusivamente en los metales hasta la fuerte presencia de los biomateriales y materiales funcionales a finales del siglo XX.

Pero cierro el post volviendo al Top1. Hoy en las universidades vivimos sumidos en una continua disputa entre la investigación y la docencia, que a menudo son tratadas como ocupaciones separadas e, incluso, contrapuestas. Peor aún, llegan a convertirse en verdaderas “trincheras” desde las que nos lanzamos cargas envenenadas. Quizá la gran lección que hoy nos puede transmitir Mendeleev es que detrás de la Tabla Periódica, de ese Gran Momento de los Materiales, lo que probablemente hubo fue el esfuerzo de un docente por hacer más comprensible a sus estudiantes la Química. Mendeleev estaba preocupado por lo difícil que resultaba a los estudiantes aprender Química porque la información nunca se presentaba en forma que reflejara las relaciones entre las diversas sustancias. Su “Fundamentos de Química” básicamente pretendía ser un libro de texto. Mendeleev fue, sobre todo, un gran profesor, un revolucionario de la docencia que acabó dejando la universidad cuando el zar denegó sus peticiones de cambio, aún cuando en el resto del mundo era ya reconocido como uno de los químicos más importantes de la Historia.

Referencias:

[1] The Greatest Moments in Materials Science & Engineering (TMS):

http://www.materialmoments.org/index.html

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La Ingeniería de Materiales y las válvulas cardiacas (I)

Por José Miguel Atienza , Dr. Ing. de Caminos, Canales y Puertos, e Ing. de Materiales (Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Politécnica de Madrid)

La válvula aórtica, con su cierre y apertura cíclicos, permite que el corazón bombee el flujo sanguíneo suficiente para garantizar la respiración celular y las diversas funciones del metabolismo. Para hacerse una idea de la importancia de su comportamiento mecánico, es fácil calcular aproximadamente cuántas veces se ha abierto y cerrado una válvula aórtica durante la vida de una persona de ochenta años: cerca de 3.000 millones de ciclos. Se trata, por tanto, de un diseño mecánico con un extraordinario comportamiento en fatiga.

Figura 1. Esquema de la válvula aórtica. ©2009. Nucleus Medical Media, Inc.

Las prótesis valvulares cardiacas sustituyen a las válvulas nativas que han sufrido un daño irreparable en su función o que genéticamente son defectuosas. Existen dos tipos de válvulas: artificiales (o mecánicas) y biológicas.

Las prótesis mecánicas están formadas por oclusores rígidos en cuya fabricación no se incluye el uso de material biológico. Son seguras y resistentes, pero precisan tratamientos anticoagulantes de por vida, con su correspondiente medicación y control periódico, por lo que sólo pueden usarse en países con un gran desarrollo sanitario. En este post nos centraremos en los diseños y materiales que se utilizan para fabricar dichas válvulas, dejaremos para otro las válvulas biológicas.

Válvulas Mecánicas

El misterio que ha rodeado al corazón ha condicionado que hasta finales del siglo XIX no se realizaran sobre él las primeras suturas. La primera prótesis valvular documentada fue la válvula de bola desarrollada por Charles Hufnagel que se colocó en la aorta torácica descendente de un paciente en 1952, antes incluso del desarrollo de la circulación extracorpórea. Desde ese momento, la evolución de las válvulas cardiacas se convirtió en un apasionante recorrido de más de cincuenta años en el que medicina e ingeniería de materiales han trabajado de la mano.

Desde el punto de vista de los materiales, como sucede en otras aplicaciones dentro del cuerpo humano, además de una exigencia importante en propiedades mecánicas, durabilidad y ligereza, existe un condicionante clave: los aspectos relacionados con la biocompatibilidad. En este caso, resulta fundamental que el material utilizado sea lo menos proclive posible a la formación de trombos y coagulación de la sangre.

A finales de los años 50 había pocos materiales disponibles para su utilización en seres humanos: Dacron y Teflon (derivados del polietileno) en injertos vasculares; Silastic (caucho de silicona) para derivaciones en la hidrocefalia; Lucite (material acrílico) en la prótesis de aorta descendente; y acero inoxidable y Stellite (aleación cobalto-cromo) en ortopedia. La gran revolución llegó con el carbón pirolítico (Pyrolyte o Pyrocarbon), descubierto en 1966 por J. Bokros, cuando investigaba un material para recubrimientos de combustible nuclear. El carbón pirolítico es grafito bombardeado con átomos de carbón a muy altas temperaturas, un material casi tan duro como el diamante y con muy poco desgaste. Tiene una estructura similar al grafito, pero ciertas imperfecciones le permiten desarrollar enlaces fuertes entre las diferentes láminas de grafeno. Pero su gran ventaja en este caso consiste en ser el material resistente menos trombogénico (poco proclive a producir trombos o embolias) que se conoce, lo cual resulta clave para estas válvulas artificiales.

Tipos de válvulas mecánicas

Actualmente se distinguen tres tipos de prótesis mecánicas según su diseño, que determina el flujo de la sangre. A continuación describimos los materiales más frecuentemente utilizados para cada una:

- De bola: La más conocida es la válvula de Starr-Edwards (Fig. 2), la primera válvula mecánica en implantarse de forma masiva. Originalmente estaba constituida por una jaula de Lucite, una bola de Silastic y un anillo de Teflon sobre soportes de acero. Más tarde, la bola pasó a ser de Stellite. La idea original para el diseño de esta prótesis está basada en una patente de tapón de botella de vino y, a pesar de las críticas iniciales debidas a sus diferencias físicas con la válvula aórtica nativa, ha demostrado una durabilidad superior a los 40 años sin daño estructural, por lo que aún sigue siendo utilizada.

Figura 2. Válvula mecánica de bola (Starr-Edwards)

 

- De disco basculante: Las prótesis de disco basculante mejoran el flujo, si bien se convierte en un flujo excéntrico. En 1970 se construyó la prótesis de Björk-Shiley (Fig. 3) en Stellite; inicialmente el disco se fabricó con un polímero (Delrin), pero pronto se sustituyó por grafito recubierto con carbón pirolítico. Otras prótesis de similares características son: Lillehei-Kaster (titanio y el disco basculante en carbón pirolítico, 1970), pronto sustituida por Lillehei-Medical (íntegramente en carbón pirolítico), Omniscience (1978), Omnicarbon (1984) o Medtronic-Hall (1977).

Figura 3. Válvula mecánica de disco vasculante (Björk-Shiley)

 

- Bivalvas: La idea de las prótesis bivalvas es lograr un flujo central, que genera una hemodinámica similar a la fisiológica. Para conseguirlo se utilizan dos valvas semicirculares conectadas al anillo por una bisagra de mariposa: en la apertura pivotan creando tres áreas de flujo, una central y dos periféricas, consiguiendo que las turbulencias sean mínimas y que el área valvular efectiva sea prácticamente la del anillo. En 1977 se implantó la primera prótesis de St Jude, construida en carbón pirolítico, diseño que no se modificó en 30 años. En 2002 St Jude Medical cubría más del 50% del mercado de las prótesis valvulares y en 2007 se habían implantado más de 2 millones de estas prótesis. En 1994 Bokros fundó el Medical Carbon Research Institute (MCRI) para utilizar una forma de carbono isotrópico puro con el que desarrolló una nueva prótesis bivalva, la On-X, cuya trombogenicidad podría ser menor que la del carbón pirolítico (http://www.onxlti.com/contract-manufacturing/on-x-pyrolytic-carbon/).

Figura 4. Válvula mecánica bivalva (St. Jude Medical)

 

La evolución de los diseños de las prótesis mecánicas y la utilización de nuevos materiales en su construcción han ido mejorando el funcionamiento hemodinámico y la durabilidad. La trombogenicidad también se ha ido reduciendo, especialmente desde la introducción del carbón pirolítico. El encuentro médico-ingeniero se ha hecho imprescindible, acrecentando el diálogo entre ambas disciplinas. Hoy por hoy, en el producto final de una válvula cardiaca concurren profesionales de diversas áreas: cardiólogos, cardiocirujanos, ingenieros mecánicos, ingenieros electrónicos, ingenieros de materiales, entre otros; aportando cada uno su campo del saber, pero confluyendo hacia un mismo objetivo.

En el año 2008, según Registro de la Sociedad Española de Cirugía Torácica y Cardiovascular (http://www.sectcv.es/), se implantaron en España un total de 11167 prótesis, de las cuales 5235 fueron mecánicas. Ninguna es de patente española. El gasto estimado supera los 15 millones de euros anuales.

Fuente:

- Selección de materiales de base colágeno para bioválvulas cardiacas. J.M. Atienza, J.M. García Páez, L. Álvarez, R. Claramunt, F.J. Rojo, A. Ros, G.V. Guinea. Libro: INSUFICIENCIA CARDIACA SEVERA, editor: E. Cabrera Fischer y R. Armentano, Universidad Favaloro, 2012
- Lefrak EA, Starr A. Cardiac valve prostheses. Appleton-Century-Crofts. New York. 1979
- DeWall RA, Qasim N, Carr L. Evolution of mechanical heart valves. Ann Thorac Surg;69:1612-1621; 2000
- www.onxlti.com
- www.pyrocarbon.com

 

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