Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular.
Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI
Manuel Doblaré Castellano
Director Científico y CEO de Abengoa Research
Catedrático de Universidad
Lección Inaugural del curso 2014-15
Universidad Loyola de Andalucía
Sevilla, 12 de Septiembre de 2014
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI I
Biomimética e Ingenería Tisular.
Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI
ÍNDICE
PREFACIO ............................................................................................................ 1
CAPÍTULO I. HACIA UNA SOCIEDAD DEL CONOCIMIENTO Y LA
TECNOLOGÍA ..................................................................................................... 3
I.1. Retos y características de la sociedad postindustrial ............................ 3
I.2. Conocimiento y economía .................................................................... 6
I.3. Hacia una sociedad crecientemente tecnificada .................................... 9
CAPÍTULO II. BIOMIMÉTICA.LECCIONES DE LA NATURALEZA AL
DISEÑO EN INGENIERÍA ................................................................................ 19
II.1. Ingeniería Biomimética. Concepto y ejemplos ................................... 19
II.2. Materiales biológicos. Estructura y propiedades ................................. 23
II.3. Materiales autorreparables. Cambio de paradigma en el diseño en
ingeniería ............................................................................................. 27
CAPÍTULO III. INGENIERÍA TISULAR Y MECANOBIOLOGÍA. ............... 35
III.1. Ingeniería tisular. Concepto y componentes ....................................... 35
III.2. Mecanobiología. Diálogo entre Mecánica y Biología ......................... 40
CAPÍTULO IV. NUEVA ECONOMÍA Y EMPLEO. REQUISITOS Y
FORMACIÓN DEL INGENIERO EN EL SIGLO XXI .................................... 51
IV.1. Nuevos esquemas y demandas para el empleo ................................... 51
IV.2. Qué es y qué se requiere de un ingeniero en el siglo XXI .................. 53
IV.3. Reflexión sobre la formación del ingeniero en la Sociedad del
Conocimiento ...................................................................................... 56
AGRADECIMIENTOS ....................................................................................... 59
REFERENCIAS .................................................................................................. 61
Índice II
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 1
PREFACIO
“A university training is the great ordinary means to a great but
ordinary end; it aims at raising the intellectual tone of society…It is
the education which gives a man a clear conscious view of his own
opinions and judgments, a truth in developing them, an eloquence in
expressing them and a force in urging them.”
[J. H. Newman, 1923]
Cuando el pasado Julio, el Excelentísimo Sr. Rector Magnífico de la Universidad Loyola
de Andalucía, el profesor Dr. Gabriel Pérez Alcalá, me planteó la posibilidad de redactar
e impartir la lección inaugural del curso 2014-15 de esta Universidad, mi primera
reacción fue doble; por un lado, de un profundo agradecimiento por el honor que me
hacía y, por otro, el conocido miedo a no cumplir expectativas.
Sin embargo, también entendí la oportunidad que me daba para trasladarles algunas de
mis opiniones sobre la importancia de la ciencia y tecnología en la sociedad postmoderna
actual, así como sobre la interacción obligada de la ingeniería, como aplicadora de
Ciencia y Técnica, con todas las disciplinas científicas. Esto hace que el cuerpo doctrinal
de la ingeniería sea cada día más amplio y cambiante, lo que está conduciendo a una
especialización progresivamente más estrecha y difícil, lo que obligará a cambios
trascendentales en la formación del ingeniero del siglo XXI. Como ejemplo de esta
situación me apoyaré en un ámbito en el que se ha centrado la mayor parte de mi
investigación en los últimos años, como es el de la interacción entre Ingeniería y
Biología, con aplicaciones en salud, ciencia de materiales e ingeniería biomimética.
Aunque se supone que a una lección académica como la presente ha de exigírsele rigor
conceptual y formal, soy consciente de que la mayoría de la audiencia no es especialista
en el tema y espera un discurso ameno y quizás, incluso, aprender algo útil o interesante.
Por ello he intentado ser más divulgativo que erudito, aunque procurando dejar clara la
complejidad de los temas comentados, tanto desde el punto de vista físico, como de los
problemas matemáticos inherentes a su formulación y resolución numérica. Estoy seguro
que a pesar de este intento, los especialistas la encontrarán poco rigurosa, mientras que
los que no lo son la seguirán viendo tediosa y detallista. A los primeros les recomendaría
que siguieran las referencias de su interés incluidas al final de la publicación, y a los
segundos, simplemente les pido perdón de antemano, esperando que las secciones más
divulgativas sean un bálsamo efectivo para la erupción que suele causarnos la petulancia
científica de la que, créanme, he tratado de huir en todo momento.
Tras este primer apartado introductorio, he considerado pertinente hacer una breve
reflexión sobre las características de la sociedad actual y sobre la relevancia creciente de
la Ciencia y la Tecnología en todos sus ámbitos: económico, de relaciones sociales, y, en
definitiva, en nuestra forma de vivir y envejecer. Siguiendo informes recientes, me
detendré en algunas de las tecnologías disruptivas que están marcando el devenir de
nuestro modelo de sociedad. Finalmente, enunciaré algunos de los retos actuales con
Prefacio 2
objeto de recalcar el largo camino que aún hemos de recorrer antes que el intelecto
humano y la tecnología que de él deriva sean capaces de eliminar las desigualdades a las
que un mal entendido desarrollo nos ha llevado.
En los dos capítulos siguientes pasaré a describir la interacción entre Ingeniería y
Biología, con mayor énfasis, lógicamente, en aquellos ámbitos con los que me encuentro
más familiarizado. Así, en el primero repasaré algunas de las lecciones que la Naturaleza
(o la Biología si se quiere) da a la Ingeniería, y que el ser humano ha intentado
aprovechar a lo largo de la historia para la creación de productos y procesos de
características peculiares. Este tipo de aplicaciones entra dentro del campo de la
Biomimética, disciplina frontera donde los conceptos, formas, estructuras y patrones
biológicos influyen en el diseño de nuevos ingenios artificiales. Comenzaré con una breve
descripción del comportamiento funcional de los tejidos biológicos y sus propiedades
como materiales estructurales para, a continuación, plantear los conceptos básicos para el
diseño de materiales autorreparables y las vías principales disponibles para su fabricación,
así como algunos ejemplos de interés.
La Ingeniería de Tejidos es uno de los caminos abiertos para la creación de órganos en el
laboratorio, con el objetivo de solventar los problemas de falta de donantes y reacciones
inmunológicas en los trasplantes. Esto, que puede sonar a ciencia ficción, no está tan lejos
como parece (recuérdese el caso de la piel artificial para grandes quemados, de uso
rutinario en nuestros hospitales), si bien todavía es necesario comprender mejor los
procesos biológicos implicados, sus bases genéticas y sus interacciones con el entorno
físico y químico circundante, es decir, la epigenética. En particular, y en lo que se refiere
a este último apartado, las deformaciones mecánicas tienen un papel singular en muchos
procesos biológicos como la adaptación a largo plazo, la morfogénesis embrionaria o la
fisiopatología de enfermedades como la escoliosis, malaria o cáncer. Ello ha conducido a
la aparición de una subdisciplina muy reciente, la Mecanobiología, cuyo objetivo es el de
discernir la función de las deformaciones mecánicas en la respuesta celular y, con ello,
prevenir enfermedades, promover nuevas terapias rehabilitadoras y, por supuesto,
favorecer procesos regenerativos como los presentes en la Ingeniería de Tejidos, a la que
se dedica el capítulo III.
Concluye esta lección con algunas reflexiones personales sobre los objetivos de la
Ingeniería en el contexto económico y de empleo en un mundo global, mutable y
crecientemente comunicado y tecnificado. Un aspecto importante se refiere a los nuevos
esquemas colaborativos multidisciplinares. Es cierto que la profundización exige
especialistas consumados, pero también lo es que la comunicación entre ellos exige
profesionales “transdisciplinares”, capaces de entender e integrar distintos lenguajes,
orientados a las aplicaciones, en un entorno con limitaciones económicas y
especificaciones incompletas y cambiantes, es decir, una figura que es fácil de identificar
con el ingeniero. Fruto de mi experiencia de más de 35 años como ingeniero que ha
tenido la ocasión de vivir la investigación y docencia universitarias y también conocer las
necesidades de la empresa innovadora, en el último apartado incluyo mi opinión
particular sobre los elementos que debería incluir la formación en ingeniería para la
empresa y la sociedad del futuro inmediato.
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 3
CAPÍTULO I. HACIA UNA SOCIEDAD DEL CONOCIMIENTO Y LA
TECNOLOGÍA
“New knowledge is the most valuable commodity on earth. The
more truth we have to work with, the richer we become.”
[K. Vonnegut, 1973]
I. 1. Retos y características de la sociedad postindustrial
“Hoy, el futuro ya no es como fue”, según una conocida frase, al parecer de autoría
grafiti. Y no lo es porque el acceso universal, ubicuo e inmediato a la información, junto
al explosivo desarrollo de la tecnología y avances científicos están configurando cambios
tan fuertes en los ámbitos socio-político, de las relaciones internacionales, económico-
laboral, y de la moral y las costumbres, que muchos ensayistas y filósofos actuales
[Bynum, 1998] identifican este particular momento con el inicio de una discontinuidad de
la Historia, que afectará a la esencia misma de la civilización humana tal como se ha
conocido, y que puede compararse, al menos, con la consolidación de los asentamientos
urbanos en el Neolítico (figura 1).
Se han acuñado distintos términos para describir esta particular, como sociedad
postindustrial, sociedad postmoderna, sociedad global o sociedad del conocimiento.
Algunas de sus características más importantes son las siguientes:
i) la integración mundial de la actividad económica, la conocida globalización,
que incluye una integración progresiva de culturas y modos de vida,
ii) el cambio continuado y acelerado, especialmente en el ámbito científico-
tecnológico, que exige una adaptación permanente en todas las áreas:
educación, trabajo, relaciones humanas, ...,
iii) la correlación, cada vez mayor, del nivel de riqueza de una comunidad y su
capacidad para la creación, difusión y explotación del conocimiento, lo que ha
llevado a fuertes inversiones en I+D+i, la aparición de negocios intensivos en
conocimiento, y a una progresiva desmaterialización de la economía,
iv) la demanda de nuevas destrezas y habilidades, más cercanas a la capacidad de
innovación que al trabajo repetitivo tradicional,
v) el uso universal de las TICs y el creciente valor del acceso a redes, no solo
informáticas sino económicas y sociales,
vi) la convergencia creciente entre científicos y humanistas y el papel creciente de
la transdisciplinaridad,
vii) la presión creciente sobre muchos de los valores tradicionales con la mutación
social asociada.
De todas las características anteriores, quizás sea la revolución tecnológica actualmente
en curso la que tenga un papel más relevante. En particular, la sociedad digital, cuyas
primeras formas surgen durante los años 50 pero estalla con la aparición de internet, es
Capítulo I. Hacia una sociedad del conocimiento y la tecnología 4
especialmente importante porque concierne a las tecnologías de producción y distribución
de información y conocimiento [Norris, 2004]. Disponemos en este momento de un
potencial de información realmente inabarcable [Foray, 1999]. Piénsese en la dificultad
antes de esta época para obtener los instrumentos del saber. Gerbert d'Aurillac, gran
intelectual del año 1000, tenía una biblioteca de 20 libros, inimaginable para la mayoría
en aquel tiempo. Mucho más cerca en el tiempo, recordemos el trabajo agotador que
teníamos que realizar hace apenas 20 años para recopilar el “estado del arte” de una parte
pequeña de una disciplina, así como en la dificultad casi insuperable de estar al tanto de
los trabajos más recientes en la misma.
Figura 1. Clonación. Nuevos problemas socioculturales derivados de los avances
científicos.
La revolución digital no solo ha posibilitado este acceso a la información reglada, sino un
aumento exponencial de las interrelaciones entre personas con los mismos intereses,
gustos o necesidades, en la explosión que han supuesto las redes sociales radicadas en
internet. Finalmente, las posibilidades de acceso y tratamiento de gigantescas bases de
datos, constituye en sí mismo un poderoso sistema de progreso del saber.
Pero es que, además, es la generación misma del conocimiento la que está cambiando de
forma inexorable. La idea de que la producción, asimilación, adaptación y divulgación del
conocimiento ocurre principalmente en el "sector ciencia-tecnología", mientras el resto de
la sociedad aguarda para hacer uso del mismo, resulta cada vez menos adecuada y por
ende menos útil para conceptualizar el desarrollo científico-tecnológico, orientarlo,
coordinarlo y asignarle fondos. Es verdad que la investigación formal sigue siendo en
numerosos sectores la piedra angular del sistema de producción de conocimiento. Sin
embargo, el monopolio de esta producción, habitualmente asociado a universidades e
institutos de investigación, se está perdiendo.
Michael Gibbons y colaboradores han desarrollado una teoría que trata de explicar las
principales características de este nuevo proceso de creación, difusión y transferencia de
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 5
conocimiento que se está configurando [Gibbons, 1994]. En este trabajo argumentan que
la dinámica de la ciencia y la investigación en las sociedades contemporáneas ha
cambiado, de forma que, además del sistema tradicional de producción de conocimiento
(modelo M1 según Gibbons), ha aparecido otro, caracterizado por una mucho mayor
interacción entre los esquemas de producción científica, tecnológica e industrial (modelo
M2). Esta nueva forma de producción no está tan jerarquizada, es más multidisciplinar, y
está caracterizada por formas organizativas más heterogéneas, abiertas y flexibles,
incorporando muy distintos tipos de agentes, multinacionales, públicos y privados,
académicos y productivos, que interaccionan en los procesos de creación, intercambio,
adaptación, uso y divulgación de conocimiento, información y tecnologías
complementarias.
Otro elemento clave se refiere a la importancia de las redes en su sentido más amplio: de
comunicación, información, colaborativas, de apoyo mutuo, de presión, etc. Los clústeres
y las redes sociales alcanzan, en ocasiones, el conjunto del planeta y crecen en densidad y
conectividad. Una red global poderosa, con múltiples conexiones, personas capaces e
instituciones comprometidas, permite ir mucho más allá en la colaboración, así como una
utilización más extensa y eficiente del conocimiento y proyectos mejor focalizados y con
mayor probabilidad de éxito (piénsese en los fenómenos “Wiki” y “Crowd” entre otros
varios).
Pero esta sociedad globalizada, física e informacionalmente comunicada, y
crecientemente tecnificada, afronta también un conjunto de retos de enorme envergadura
(figura 2).
Figura 2. Algunos retos de la sociedad actual. Crecimiento demográfico, emigración,
sed, residuos, relaciones interculturales y cambio climático.
Capítulo I. Hacia una sociedad del conocimiento y la tecnología 6
Algunos son viejos conocidos de la Humanidad, si bien ahora extendidos a todo el
planeta: la falta de agua y alimentos, el acceso a la salud y a la educación, la desigualdad
y la discriminación. Otros, en cambio, son desconocidos en la historia previa, como el
crecimiento demográfico, la demanda sin freno de materias primas y bienes de consumo,
el cambio climático, la exclusión tecnológica, o el aumento de los residuos entre otros.
Los objetivos a largo plazo son claros, si bien en absoluto fáciles de alcanzar. Entre ellos:
i) mantener la necesaria compatibilidad entre desarrollo y sostenibilidad; ii) garantizar la
provisión de energía, agua, aire y alimentos a toda la población, manteniendo, al mismo
tiempo, la biodiversidad y la estabilidad del planeta; iii) mejorar las condiciones sanitarias
e incrementar la esperanza de vida; iv) reducir las diferencias; v) asegurar el acceso a la
educación, la información y a las tecnologías base. En resumen, alcanzar una sociedad
más justa, sostenible, igualitaria y socialmente consciente.
I.2. Conocimiento y economía
La capacidad de inventar e innovar, es decir, de crear nuevos conocimientos e ideas, que
luego se materializan en productos, procesos y organizaciones, ha alimentado
históricamente al crecimiento económico y el consiguiente bienestar social. Sin embargo,
la reciente expresión "economía fundada en el conocimiento" trata de remarcar una
discontinuidad en relación a los períodos precedentes. Las materias primas han ido
perdiendo gran parte de la capacidad de explicar las disparidades de productividad y
crecimiento entre países. Desde comienzos del siglo XX se observa una mayor influencia
del capital intangible (capacitación, instrucción, actividades de I+D, información y
coordinación) que del tangible (capital físico, recursos naturales) en el crecimiento
económico [Abramovitz, 1996].
Paulatina pero inexorablemente se van modificando los esquemas de la división
internacional del trabajo. De hecho, la economía globalizada representa una gran
oportunidad para los países y regiones con pocos recursos naturales y poco desarrollados
industrialmente pero con recursos humanos de calidad. Los números no dejan lugar a
dudas. Mediante nuevos esquemas de medición, el Banco Mundial calculó a finales de los
90 que los 29 países de la OCDE, que entonces concentraban el 80% de la riqueza total
del planeta, debía su bienestar en un 67% al capital intelectual (educación, investigación
científica, tecnología, sistemas de información), en un 17% a su capital natural (materias
primas) y en un 16% a su capital productivo (maquinaria, infraestructuras) [Ávalos,
1998], y esta relación no ha ido disminuyendo. En este mismo sentido Kaplan y Norton
[Kaplan, 2004] afirman que países con gran cantidad de recursos tangibles como
Venezuela o Arabia Saudí poseen tasas de crecimiento mucho menores que otros como
Corea, Singapur y Taiwán que, pese a no poseer grandes recursos naturales, sí invierten
mucho en capital humano y sistemas de información.
El reconocimiento de esta realidad conduce en los países más desarrollados a fuertes
inversiones en investigación y promoción de la innovación, siendo particularmente
destacable la consolidación progresiva de un sector emergente, independiente, rentable
por sí mismo y de muy alto valor añadido, constituido por agentes económicos que
“fabrican” y venden conocimiento.
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 7
En el caso de España, y desde hace más de 30 años, se viene hablando de la baja
productividad y de la necesidad de cambiar el modelo productivo: “desde el ladrillo a la
industria de alto valor añadido”, se dice. En mi opinión, el planteamiento inicial es
correcto pero la conclusión final es errónea. No es cuestión de sectores. Todos pueden y
deben ser innovadores e intensivos en conocimiento. Lo que existe son personas mejor y
peor formadas y también aproximaciones empresariales basadas en la investigación y el
retorno a largo plazo, y otras basadas en los bajos salarios y la inversión especulativa. El
reto de España no es de cambio de sectores, sino de educación integral desde la infancia
hasta el fin de la vida laboral, así como de estructura y objetivos empresariales, siendo
imprescindible, por ejemplo, aumentar el tamaño medio de nuestras empresas y la
cualificación de nuestros recursos humanos, tanto técnicos como organizacionales.
Aunque hemos avanzado, todavía estamos, en media, en la segunda división de las
economías modernas. Así, en el año 2013, último publicado, España ocupaba el puesto 45
en el Índice de competitividad mundial según el Institute for Management Development,
quién anualmente publica su informe [IMD, 2013], tras países como Chile, Malaysia,
Polonia, Estonia o Kazajistán entre otros, muy alejados de la posición que nos
corresponde por economía global, influencia internacional, tradición y cultura. Aún más
preocupante es que España ha bajado 15 puestos en dicho ranking desde el año 2008.
En este contexto de crisis económica y financiera en el que todavía nos encontramos, y a
pesar, de nuevo, de los reiterados discursos que proclaman la necesidad y voluntad de
cambiar definitivamente nuestro modelo productivo: “para construir una sociedad basada
en la innovación y el conocimiento”, una vez más hemos asistido a un recorte sustancial
de los presupuestos de I+D+i como forma de enfrentar la crisis (figura 3). El presupuesto
estatal destinado a la política de Investigación, Desarrollo e Innovación (I+D+i) para este
año 2014 (política de gasto 46 de los PGE) es de 6140M€, por debajo del de 2006, a pesar
de haberse incrementado un 3,6% desde el año anterior y teniendo en cuenta la mucho
mayor proporción de préstamo a subvención en relación a 2006 [Cotec, 2013]. Se
confirma con ello que la investigación no forma parte de la estrategia de nuestros
gobernantes, sino que es una política pro cíclica, que crece solo en ciclos expansivos, en
contra de la tendencia de los países desarrollados, que la fortalecen como herramienta
para superar las crisis de forma más rápida y salir fortalecidos.
Si existe consenso en cuanto al papel esencial de la educación, investigación, innovación
y cultura en el desarrollo y calidad de vida de los ciudadanos, ¿cuál es la causa de los
retrasos, desmayos, discontinuidades y despriorización presupuestaria de las políticas que
deben conducir a medio y largo plazo a su consecución? Algo falla en la estructura de
decisión cuando, estando todos de acuerdo en el diagnóstico, no se consigue aplicar la
terapia adecuada durante tantos años. La razón probablemente es que todavía no hemos
sido capaces de conseguir que este discurso se interiorice completamente en nuestra
Sociedad. Espero que estas reflexiones contribuyan modestamente a ello.
Restringiendo el ámbito de esta reflexión a la empresa, es claro que las características en
las que hoy desarrolla su función (globalización, velocidad de la evolución tecnológica,
complejidad, presión competitiva) implican unos requerimientos cada vez más exigentes
en cuanto a flexibilidad, gestión del cambio, cultura del aprendizaje, fomento de redes,
creación de tecnología y gestión de la innovación y de los activos intangibles como
Capítulo I. Hacia una sociedad del conocimiento y la tecnología 8
nuevos valores estratégicos. Todo ello se relaciona con otro problema de la economía
española como es el reducido esfuerzo de las empresas en I+D+i. En 2012, según la
OCDE, solo figuraban tres empresas españolas entre las cien primeras empresas de la UE
por inversión en I+D, con solo 22 entre las 1000 primeras [Cotec, 2013].
Figura 3. Evolución de los presupuestos estatales en I+D en los últimos 9 años
Me van a permitir en este momento citar el caso particular de la empresa a la que, tras
cerca de 35 años trabajando en la Universidad, decidí incorporarme hace tres años.
Abengoa es un caso excepcional en España. Sus dirigentes entendieron desde hace tiempo
que solo la generación de tecnología y conocimiento propios le permitiría conseguir y
mantener el liderazgo internacional en un sector como el de las energías renovables y la
sostenibilidad de creciente competitividad. Hoy, Abengoa es una empresa multinacional,
con presencia en los cinco continentes, compuesta por más de 30.000 empleados y líder
mundial en tecnologías como la termosolar y la de biocombustibles de segunda
generación. Esta apuesta firme por la investigación a largo plazo, junto al objetivo aún
más ambicioso de convertirse en una empresa basada en tecnología, me convencieron
para unirme al proyecto de Abengoa Research, que espero sirva no solo para,
efectivamente, ayudar a Abengoa a aumentar su liderazgo internacional en un sector clave
para el futuro de la Humanidad, sino también para convencer a otros de la rentabilidad de
la inversión en la generación de conocimiento y tecnología, en la formación integral de
los recursos humanos, en el establecimiento de redes estables con centros científicos, y,
en definitiva, en la consideración del capital intelectual como recurso crítico.
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 9
I.3. Hacia una sociedad crecientemente tecnificada
Ortega y Gasset, en su célebre “Meditación de la Técnica” [Ortega, 1939], apunta que
mediante la técnica el hombre ha creado “un paisaje artificial”, cuyo objetivo es “dedicar
esfuerzo para ahorrar esfuerzo”. Esta afirmación parece evidente cuando pensamos en
realizaciones técnicas tan cotidianas como la calefacción o el aire acondicionado, la
iluminación eléctrica, el agua corriente, la lavadora, el automóvil o el ordenador.
En particular, desde la Revolución Industrial, a finales del siglo XVIII y principios del
XIX, la tecnología ha tenido un papel especialmente relevante en el crecimiento y
transformación de la economía y la sociedad. A principios del siglo XX, el conocido
economista Joseph Schumpeter [Schumpeter, 1943] observa que los avances más
significativos en la economía suelen ir acompañados de lo que él denomina un proceso de
“creación destructiva”, en el que se modifican las estructuras industriales y algunos de los
negocios más importantes son reemplazados por otros nuevos. Este proceso está dirigido
habitualmente por innovaciones tecnológicas disruptivas en manos de emprendedores y
“early-adopters”. Schumpeter describe como ejemplo la forma en que el servicio de carga
de alta velocidad del ferrocarril central de Illinois permitió el crecimiento de las ciudades
y cambió por siempre los negocios agrícolas establecidos. Tecnologías disruptivas como
la energía de vapor, el microchip o internet han transformado la forma en que vivimos y
trabajamos, han dado lugar a nuevos modelos de negocio, y alteraron el orden económico.
La tecnología avanza tan rápidamente, y en tantas direcciones, que se convierte en un
verdadero reto, simplemente el estar atento a su evolución. Cada vez es más corto el
tiempo que va del descubrimiento científico al uso generalizado del mismo, seguido de la
inevitable obsolescencia tecnológica. Hay estudios que predicen que el 40% de los
productos y servicios que existen hoy en día desaparecerán en cinco años y todavía no se
conoce el 50% de los que para entonces surtirán el mercado. Parece que la conocida Ley
de Moore para el incremento anual del número de transistores en un chip (figura 4) se está
cumpliendo también en otros campos. Por ejemplo, en referencia a la cantidad de
información generada, Erich Schmidt en 2010, CEO de Google, indicó que “creamos
tanta información en dos días como toda la generada por la Humanidad hasta 2003”. Hoy,
esta afirmación se cumple cada pocas horas y se prevé que con la generalización de la
internet de las cosas, se produzca cada pocos minutos.
El desfile de nuevas tecnologías y avances científicos es imparable. Sin embargo, solo
algunas tecnologías tienen el potencial real de dar lugar a productos y servicios
completamente nuevos, de reorganizar las estructuras de creación de valor, y de alterar
radicalmente nuestros modos de vida y de trabajo. Aunque es muy difícil prever cuáles
serán aquellas que darán forma a nuestro futuro, en general, estas comparten cuatro
características principales [Manyika, 2013]: i) avanzan muy rápidamente y tienen
cambios disruptivos frecuentes; ii) su ámbito de impacto potencial es muy grande, iii) el
valor de su impacto económico es muy significativo, iv) tienen la capacidad de
transformar la forma de vivir y trabajar, de crear nuevas oportunidades y proporcionar
ventajas competitivas apreciables.
Capítulo I. Hacia una sociedad del conocimiento y la tecnología 10
Figura 4. Ley de Moore
En las páginas siguientes (figura 5) se describen las 12 tecnologías más disruptivas para
2025 según la predicción del Informe elaborado por la consultora McKinsey en 2013
[Manyika, 2013] a partir de las premisas anteriores. Obviamente habrá quién no esté de
acuerdo con algunas o quien piense en sustitutos con el mismo derecho. Es cierto que, tal
como enunció el Premio Nobel en Física Niels Bohr, “es muy difícil realizar
predicciones, sobre todo si de refieren al futuro”, pero aún así, la mayoría estará de
acuerdo en el potencial disruptor de las mismas. El que acaben o no cambiando nuestro
modo de vida dependerá de muchos factores, incluyendo la posible aparición, antes de
que las presentes hayan madurado, de otras nonatas con aún mayor capacidad de cambio.
Internet móvil
En solo unos pocos años, los dispositivos portátiles habilitados para internet han pasado
de ser un lujo de unos pocos a una forma de vida para más de mil millones de personas,
dueños de teléfonos inteligentes y tabletas. En los Estados Unidos se estima que el 30 por
ciento de la navegación web y el 40 por ciento del uso de redes sociales se llevan a cabo
mediante dispositivos móviles; para el año 2015, se espera que el uso de la web
inalámbrica supere al del cable. Internet móvil también ha dado lugar a la aparición de
aplicaciones para las empresas y el sector público, que permiten una provisión más rápida
y eficiente de muchos servicios, y la aparición de nuevas oportunidades de negocio.
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 11
Figura 5. Las 12 tecnologías más disruptivas para 2025 [Manyika, 2013]
Capítulo I. Hacia una sociedad del conocimiento y la tecnología 12
Automatización del trabajo basado en conocimiento
Los avances en inteligencia artificial, aprendizaje automático, y las interfaces de usuario
naturales, como el reconocimiento de voz, están haciendo posible automatizar muchas de
las tareas entendidas como genuinamente intelectuales, pudiendo preverse la sustitución
completa del personal en determinados puestos de trabajo así como el incremento en la
velocidad y capacidad de aprendizaje en muy pocos años.
Internet de las cosas “IOT”
Internet de las cosas se refiere a la incorporación de sensores y actuadores en máquinas y
otros objetos físicos que pasarán a interaccionar directamente en el mundo conectado de
internet. La continua captación de datos en conexión automatizada, junto a herramientas
de optimización, gestión estratégica y de apoyo a la decisión, radicadas en la nube,
permitirán a las empresas y organizaciones públicas administrar sus activos de forma más
óptima y crear nuevos modelos de negocio. El control remoto y la interacción entre
usuarios, dispositivos y herramientas de diagnóstico y toma de decisión tienen también un
potencial enorme en la salud de pacientes con enfermedades crónicas y de discapacitados,
haciendo finalmente viable la telemedicina, entre otros muchos campos de aplicación.
Tecnología de nube
Con la tecnología de nube, hoy día ya muy extendida, se proveen aplicaciones y servicios
informáticos a través de la red con un mínimo de gasto e interacción. Por ejemplo, es
posible disponer de capacidades adicionales de computación o almacenamiento de
información en el momento en que se necesita, sin que se requiera una inversión extra ni
una planificación exhaustiva de las necesidades, muchas veces sobrevenidas e
inesperadas. La nube está permitiendo el crecimiento explosivo de los servicios basados
en internet, desde el almacenamiento de datos personales (fotos, libros, música), a
capacidades de procesamiento en “back-up” que capacitan a los dispositivos móviles
como potentes terminales de computación pesada realizada en “la nube”. También reduce
costos para empresas y gobiernos, y proporciona una mayor flexibilidad, fiabilidad,
seguridad y capacidad de respuesta.
Robótica avanzada
Desde hace varias décadas, los robots industriales han asumido tareas relacionadas con
situaciones físicamente difíciles, peligrosas o sucias. Sin embargo, estos robots han sido
tradicionalmente caros, voluminosos y poco flexibles. En la actualidad, los robots
avanzados disponen de sentidos mejorados, destreza e inteligencia inimaginables hace
poco tiempo, gracias a los avances producidos en visión e inteligencia artificial,
comunicación máquina-máquina, y sensores y actuadores más precisos y baratos. Estos
robots tienen también una interacción más fácil con los trabajadores y son más compactos
y adaptables. Todo ello hará posible su uso, no solo en otras tareas de fabricación, sino en
servicios, como la limpieza y el mantenimiento, e incluso en tareas tan sofisticadas como
son los robots quirúrgicos, las prótesis robóticas, y los exoesqueletos inteligentes para
personas con movilidad reducida, entre otros varios ejemplos.
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 13
Genómica de nueva generación
Hoy en día, un genoma humano puede ser secuenciado en pocas horas y por unos pocos
miles de dólares, una tarea que llevó 13 años y 2,7 miles de millones de dólares durante el
Proyecto Genoma Humano. Con esta secuenciación rápida y barata, los científicos
pueden probar sistemáticamente la influencia de las variaciones genéticas en los rasgos y
enfermedades específicas. Asimismo, la aparición de máquinas de secuenciación
portátiles y de bajo costo posibilitará una mejora significativa del diagnóstico rutinario, y
con ello, la aparición de tratamientos paciente-específicos. El paso siguiente es la biología
sintética y con ello la posibilidad de “reescribir” el ADN de microorganismos e incluso
organismos superiores, potenciando o inhibiendo funciones y características. Al margen
de cuestiones éticas, sociales e incluso de civilización a futuro, el impacto en la medicina,
la agricultura, y la producción de sustancias de alto valor añadido, como biocombustibles,
bioproductos y fármacos se prevé tremendo.
Vehículos autónomos
Ya es posible fabricar coches, camiones, aviones y barcos con conducción total o
parcialmente autónoma, desde los conocidos drones o vehículos aéreos no tripulados
hasta el coche de auto-conducción de Google (figura 6). Las tecnologías de visión,
inteligencia artificial, sensores, y actuadores están mejorando estas máquinas muy
rápidamente. En la próxima década, se prevé la aparición en el mercado de automóviles,
aviones y sumergibles no tripulados y de bajo costo con una enorme variedad de
aplicaciones, aunque primero han de resolverse problemas no triviales referentes a la
seguridad, responsabilidad civil y legislación.
Figura 6. Automóvil de conducción autónoma de Google
Capítulo I. Hacia una sociedad del conocimiento y la tecnología 14
Almacenamiento de energía
La tecnología de almacenamiento de energía incluye las baterías además de otros muchos
sistemas de almacenamiento de vectores energéticos como el hidrógeno o los
biocombustibles, no considerándose en este caso los combustibles fósiles (nuclear o
derivados del gas y petróleo). Las baterías de litio y pilas de combustible ya están
impulsando los vehículos eléctricos e híbridos, si bien es cierto que todavía con una
autonomía reducida y, sobre todo, con una infraestructura de recarga lenta, poco
extendida e ineficiente. No es éste el caso de los miles de millones de dispositivos
electrónicos de consumo portátiles con alimentación por batería. De hecho, las baterías de
ión-Li en particular han experimentado aumentos increíbles en cuanto a capacidad de
almacenamiento por unidad de costo, que se prevé continúen e incluso aceleren con otros
tipos de baterías y materiales. La predicción para la próxima década es que los avances en
las tecnologías de almacenamiento de energía llevarán los vehículos eléctricos a un costo
y prestaciones competitivos con los basados en motores de combustión interna. Pero lo
que aún puede ser más importante, un almacenamiento barato puede disparar la
generación de energía basada en renovables distribuidas como la eólica y fotovoltaica,
cambiando el modelo actual de generación concentrada por otro en el que esta es
complementada por otro tipo de generación, distribuida y aislada o no de la red, pasando
muchos consumidores actuales a ser “prosumers” (productores-consumidores),
amenazando el oligopolio actual de producción y distribución de energía que ha de
cambiar, sin duda, para adaptarse a las nuevas condiciones.
Impresión 3D
La impresión tridimensional ha sido ampliamente utilizada para algunas aplicaciones de
apoyo al diseño y de fabricación. Sin embargo, el rendimiento de las maquinas de
fabricación aditiva está aumentando rápidamente, al mismo tiempo que se diversifica la
gama de materiales para la fabricación, y se reducen los precios para impresoras y
materiales. Las posibilidades e implicaciones son inmensas para las cadenas de suministro
y para el almacenamiento de piezas de repuesto, entre muchos otros ámbitos de negocio.
La impresión en 3D también puede reducir la cantidad de material desperdiciado en la
fabricación y crear objetos que son difíciles o imposibles de producir con las técnicas
tradicionales, con amplias repercusiones en el arte y el diseño. Finalmente, esta
tecnología está en un punto que permite ya predecir su irrupción en sectores tan variados
y separados como la construcción (recientemente se ha presentado la primera serie de
casas baratas impresas en 3D en China) (figura 7), el sector salud (prótesis y ortesis
personalizadas, “fabricación” de órganos biológicos personalizados para su uso en
ingeniería de tejidos, donde la “tinta” es sustituida por un cultivo de células madre
mezcladas con material polimérico o cerámico que constituirá finalmente el andamio) o la
restauración (comida con formas “a la carta”).
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 15
Figura 7. Casa “impresa” con cemento reforzado con fibras
Materiales avanzados
Durante las últimas décadas, se han descubierto nuevos tipos y formas de producir
materiales con propiedades increíbles y un campo de aplicación e impacto económico
extraordinarios. Metales con memoria de forma, cerámicas y cristales piezoeléctricos,
nuevos materiales fotónicos y fotovoltaicos y, sobre todo, materiales de tamaño
nanométrico o nanoestructurados, como el grafeno o los nanotubos de carbono, son
algunos ejemplos. Los componentes derivados tienen aplicaciones disruptivas en el
campo estructural (compuestos más resistentes y autorreparables), tribología y corrosión
(recubrimientos superdeslizantes, o superadherentes, superficies autolimpiables y
resistentes a la corrosión), energía (células solares y baterías de gran eficiencia), química
(catalizadores), medicina (nanopartículas funcionalizadas capaces de ser guiadas y liberar
fármacos en un lugar específico y con dosis controlada), ocio y comunicación (pantallas
superdelgadas y flexibles) y un larguísimo etcétera.
Extracción avanzada de gas y petróleo
La habilidad para extraer petróleo y gas no convencional de formaciones de rocas de
esquisto mediante la combinación de excavación horizontal y fractura hidráulica es una
tecnología revolucionaria que permite extraer combustibles fósiles de depósitos que se
conocían pero que eran económicamente inviables para las la tecnologías de extracción
convencionales. Si continúan las mejoras y se resuelven los problemas medioambientales
inherentes podría extenderse la reserva de combustibles fósiles por décadas.
Capítulo I. Hacia una sociedad del conocimiento y la tecnología 16
Energía renovables
Las energías renovables como la solar, eólica, hidroeléctrica, y las olas nos prometen una
fuente inagotable aunque con una distribución poco uniforme. En concreto, las
tecnologías eólica y solar (tanto la termoeléctrica como la fotovoltaica) están progresando
con especial rapidez. En las últimas dos décadas, el costo de la energía producida por las
células solares fotovoltaicas se ha reducido en un orden de magnitud hasta ser
competitiva con los combustibles fósiles en zonas de alta radiación solar. En el futuro, su
conexión con técnicas de almacenamiento térmico o eléctrico permitirá que sean
gestionables durante todo el día, cambiando el paradigma de producción de energía
centralizada y contribuyendo al control del cambio climático. De hecho, hoy día ya
existen plantas termosolares con producción continua de energía y almacenamiento
masivo -hasta 6 horas- en enormes tanques de sales fundidas (figura 8).
Figura 8. Planta termosolar con tecnología de colectores y almacenamiento térmico en
Solana (Arizona), diseñada y construida por Abengoa S.A.
Otras tecnologías tienen también un gran potencial, pero su grado de inmadurez las hace
estar todavía algo lejos de este horizonte del 2025. Así, la purificación avanzada de agua
podría ser quizás otra de las tecnologías candidatas a incorporarse a esas doce ya que
podría beneficiar a millones de personas que se enfrentan cada día a la escasez de agua, si
bien todavía hacen falta cambios disruptivos en desalación, tratamiento y reuso para
alcanzar costos que permitan su despliegue global; la energía de fusión, aunque con un
potencial enorme, está todavía lejos de ser comercial; la captura de carbono podría tener
un gran impacto en la reducción de la concentración de dióxido de carbono en la
atmósfera, pero, a pesar de la inversión sostenida en I+D, no parece que llegue a ser
rentable y, por tanto con un despliegue masivo en 2025, si no cambia la legislación; la
computación cuántica representa una alternativa potencialmente transformadora, pero el
plazo para su comercialización es todavía incierto; la vuelta al espacio es probable que se
limite en esta década y la que viene al turismo espacial y al lanzamiento de satélites
privados; la iluminación con LED orgánicos (OLED) también tiene potencial para un
amplio alcance en términos de personas afectadas, pero parece poco probable que el
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 17
impacto en la economía y los negocios globales sea disruptivo manteniéndose en un nicho
de negocio relativamente reducido; la transmisión de energía inalámbrica es también
prometedora para algunas aplicaciones, pero no está claro que en los próximos años sea
capaz de competir con alternativas como el almacenamiento de energía ya citado; las
pantallas 3D o las de realidad virtual (figura 9) están recibiendo mucha atención y podrían
ser susceptibles de cambios disruptivos que las incorporarse en poco tiempo a la lista
anterior, mientras que las pantallas flexibles podrían ofrecer nuevas e interesantes
posibilidades para los dispositivos móviles y televisores, si bien parece poco probable que
lleguen a tener efectos económicos mayores; la ingeniería tisular es otra candidata a la
lista de tecnologías más disruptivas, pero ha de vencer aún retos tecnológicos formidables
para llegar a ser comercial y globalmente extendida.
Figura 9. Pantallas de realidad virtual
Tengo que confesar en este momento que he tenido y tengo la suerte de haber trabajado y
estar trabajando en varias de estas tecnologías, desde materiales avanzados e ingeniería
tisular en mi etapa anterior hasta, de nuevo, los materiales avanzados, las energías
renovables y el almacenamiento de energía en la actualidad. Es por ello que he podido
comprobar, además de las características comunes anteriormente citadas, que todas ellas
disfrutan de otra común: demandan de la contribución integrada de muchas áreas
científicas, volviendo a remarcar el hecho, anteriormente aludido, de que es precisamente
en el contexto de retos y aplicaciones de gran envergadura en los que interaccionan
grupos de muy distinta especialización y con gran complejidad organizativa y
tecnológica, donde están apareciendo los conocimientos y tecnologías que marcarán el
futuro de nuestra Sociedad.
Capítulo I. Hacia una sociedad del conocimiento y la tecnología 18
En los capítulos siguientes me centraré en dos ejemplos de disciplinas y tecnologías
frontera, como son la Biomimética y la Ingeniería Tisular, donde interaccionan ingeniería
y biología, si bien en dos direcciones opuestas. En la primera, los ingenieros aprenden de
las lecciones de la Naturaleza para crear nuevos dispositivos, materiales e ingenios
basados en los tejidos, órganos y sistemas biológicos. En el segundo, son los especialistas
en medicina y biología los que usan técnicas ingenieriles para producir tejidos y órganos a
partir de materiales sintéticos o naturales modificados, en los que se embeben células en
un ambiente con estímulos biofísicos controlados. En cualquiera de los dos casos, los
ingenieros han de entender los principios básicos de la biología, la composición y
estructura de los materiales biológicos y la influencia del entorno biofísico en su
evolución y adaptación como materiales vivos, mientras que los biólogos y expertos en
salud han de ser capaces de entender las posibilidades y limitaciones de la ingeniería y
expresar claramente sus necesidades, hipótesis y particularidades de trabajo para que se
produzca una interacción multiplicativa.
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 19
CAPÍTULO II. BIOMIMÉTICA. LECCIONES DE LA NATURALEZA AL
DISEÑO EN INGENIERÍA
“Nothing has such power to broaden the mind as the ability to investigate
systematically and truly all that comes under thy observation in life”
[Marco Aurelio, 161-180 d.C.]
II.1. Ingeniería Biomimética. Concepto y ejemplos
Los seres humanos se han fascinado desde siempre por las maravillas que la naturaleza
ofrece y han, primero aprovechado, luego intentado imitar, y finalmente tratado de recrear
muchos de estos diseños [Vincent, 2006]. Por ejemplo, los chinos intentaron hacer seda
artificial hace más de 3000 años, mientras que Leonardo da Vinci (1452-1519) fue un
observador agudo de la anatomía y el vuelo de las aves, y dejó numerosas notas sobre sus
observaciones, así como esbozos de diversas "máquinas voladoras", aunque no tuvo éxito
en su creación (figura 10) [Romei. 2008].
Figura 10. Ejemplo de máquina voladora de Leonardo da Vinci.
A través de la evolución, la Naturaleza se ha enfrentado con los retos inherentes a cada
una de las soluciones probadas y las ha ido abandonando o mejorando hasta conseguir las
más eficientes. Sin embargo, estas últimas no son necesariamente óptimas en cuanto a su
desempeño técnico. De hecho, el objetivo esencial de todas ellas ha sido el sobrevivir lo
suficiente para reproducirse, manteniendo la especie. Por tanto, muchos especialistas
arguyen que es mucho más difícil (y muchas veces ineficiente) imitar de forma exacta a la
Biología, siendo más útil el tratar de entender los principios subyacentes en su diseño y
adaptarlos [Vincent, 2006].
Capítulo II. Biomimética. Lecciones de la Naturaleza al diseño en ingeniería 20
El término Biomimética proviene de las palabras griegas “bios”, que significa vida, y
“mimesis”, que significa imitar. Fue el matemático Otto H. Schmitt quién introdujo por
primera vez esta palabra en el contexto científico [Schmitt 1969]. El diccionario Webster
en su primer acepción de esta palabra en 1974 la define como: “El estudio de la
formación, estructura, o función de las sustancias y materiales producidos biológicamente
(como las enzimas o la seda) y los mecanismos y procesos biológicos (como la síntesis de
proteínas o la fotosíntesis) con el propósito de sintetizar productos similares mediante
mecanismos artificiales que imitan a los naturales.”.
Aunque muchas de las capacidades de los organismos vivos son todavía un misterio, si
fuesen descifradas, tendrían un potencial increíble. Por ejemplo, podríamos pensar en las
aplicaciones de la capacidad de los osos para invernar durante meses o la habilidad de la
salamandra para regenerar la cola perdida sin ninguna cicatriz. Aunque estas habilidades
están todavía lejos de nuestras posibilidades, hay otras muchas cuya consecución está más
cerca. Veamos algunas de ellas.
Uno de los primeros ejemplos de la Biomimética, lo constituye el tejido tipo Velcro
[Velcro 1955]. George de Mestral, un ingeniero suizo, se dio cuenta que las semillas del
cardo (Xanthium) se pegaban tenazmente a la piel de su perro durante sus caminatas. Tras
examinarlas en el microscopio, descubrió que en las rebabas había pequeños ganchos
(figura 11a) que se enganchaban a la pelambre del animal. A partir de ahí, tradujo este
diseño natural a la práctica comercial mediante la combinación de una superficie con
ganchos y otra con un fieltro, creando la sujeción ahora tan común.
Figura 11. (a) Estructura del Velcro; (b) Superhidrofobicidad de las hojas de loto
Las hojas de loto están siempre limpias, a pesar de crecer en el agua de estanques muchas
veces rodeadas de fango [Koch, 2009]. Ello es debido a la superhidrofobicidad de su
superficie que, a su vez, es consecuencia de su estructura. Las células epidérmicas de la
hoja forman asperezas o papilas, consiguiendo una rugosidad a escala microscópica.
Además, la superficie de las hojas está cubierta con una variedad de ceras compuestas de
una mezcla de hidrocarburos que tienen una fuerte repulsión al mojado. Las gotas de agua
resbalan sobre las puntas y burbujas de aire (figura 11b), arrastrando con ello las
partículas sobre la superficie, consiguiendo un efecto de autolimpieza. Las propiedades de
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 21
superhidrofobicidad inducidas por la rugosidad son de gran interés en aplicaciones como
ventanas autolimpiables, parabrisas y pinturas de exteriores, fuselajes de barcos y
aviones, textiles o paneles solares entre muchas otras. Una pintura de exterior
autolimpiable se vende hoy día bajo el nombre comercial de Lotusan [Barthlott, 1997].
También se han desarrollado recubrimientos para artículos de vidrio y vehículos
autolimpiables [Baumann, 2003] y para productos textiles autolimpiables [Gao, 2006],
Las minúsculas almohadillas adosadas a las patas de varios insectos como escarabajos y
moscas, arañas, geckos y ranas o salamandras, les permiten adherirse a paredes verticales
y techos, así como moverse sobre superficies inundadas [Federle, 2006; Autumn, 2006;
Bhushan 2007a]. Las aproximadamente 3 millones de almohadillas de los dos pies del
gecko de las Tokay tienen un área de aproximadamente 220 mm2, lo que permite una
carga de cuelgue de aproximadamente 20N y con ello subir superficies casi verticales a
velocidades de más de 1 m/s, con la capacidad de adherir o separar sus dedos de la pared
en milisegundos (figura 12a). El replicar la estructura de las patas del gecko permitiría,
por ejemplo, conseguir cintas poliméricas superadhesivas con adherencia limpia, seca y
reversible [Bhushan 2007b, Gorb, 2007]. En la misma forma, las patas de las ranas de
árbol consisten en una matriz de células epidérmicas hexagonales de aproximadamente 10
mm cubiertas de una matriz de nanopilares ultrafinos de aproximadamente 100–400 nm
de diámetro. Además, están permanentemente humedecidas por la mucosidad secretada
por glándulas que se abren en canales de aproximadamente 1 mm de ancho. Mediante
este sistema son capaces de escalar en rocas húmedas. Las huellas de los neumáticos
utilizados en muchos vehículos están hoy día inspiradas en los patrones de los dedos de
las ranas de árbol. En carreteras mojadas, el agua y la nieve fluyen hacia fuera a través de
los canales presentes entre las huellas, lo que proporciona una alta adhesión y un buen
agarre en conducción sobre mojado [Barnes, 2002].
Figura 12. (a) Fotografía de la pata de un gecko de las Tokay; (b) Estructura de la
piel del tiburón
Capítulo II. Biomimética. Lecciones de la Naturaleza al diseño en ingeniería 22
La mayoría de las especies de tiburones se mueven a través del agua a altas velocidades,
con un bajo consumo de energía. La piel del tiburón es una ayuda esencial en este
comportamiento. Su ingenioso diseño permite reducir el coeficiente de arrastre del 5 al 10
por ciento y autolimpiarse de ectoparásitos [Bechert, 1997]. Las pequeñas escamas en
forma de diente de la piel de tiburón, llamadas dentículos, tienen forma de V y
aproximadamente 200–500 m de altura y están regularmente espaciados (100-300 m).
Los dentículos están ribeteados con ranuras longitudinales (alineadas en paralelo a la
dirección de flujo local del agua), lo que permite que el agua se mueva muy
eficientemente sobre su superficie. Un ejemplo de esta estructura se muestra en la figura
12b. Speedo creó en 2006 un traje de baño de cuerpo entero para nadadores de élite. El
traje está hecho de poliuretano tejido con una textura basada en los dentículos del tiburón.
En los Juegos Olímpicos de Beijing 2008, dos tercios de los nadadores vestía trajes de
baño Speedo y se rompieron un gran número de récords mundiales. Este tipo de trajes de
baño se suspendieron para las siguientes competiciones. Los fabricantes de barco y
aviones están intentando imitar la piel del tiburón para reducir la fricción por arrastre y
minimizar la adherencia de microorganismos. Hojas de plástico transparentes, con una
estructura ribeteada longitudinalmente se han utilizado en los aviones comerciales Airbus
340 para reducir la resistencia al aire durante el vuelo [Fish, 2006].
Los conjuntos moleculares presentes en las hojas de las plantas incluyen moléculas
capaces de capturar la energía de la luz y convertirla en energía química que impulsa los
mecanismos bioquímicos de las células vegetales. Entre ellas, y singularmente, la
clorofila. Una tecnología biomimética basada en este efecto está siendo desarrollada por
varias industrias para desarrollar células solares poliméricas sensibilizadas por el tinte
[O’Reagan, 1991]. Estas células (figura 13) no son, por ahora, tan eficientes como las
basadas en semiconductores, pero son significativamente más baratas y más flexibles.
Figura 13. Módulo fotovoltaico con células de Grëtzel (cortesía Dyepower)
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 23
II.2. Materiales biológicos. Estructura y propiedades
Los anteriores son solo algunos de los muchos ejemplos de soluciones biológicas que
tienen su traducción artificial [Bhushan, 2009]. Sin embargo, es quizás en el campo de la
ciencia de materiales donde estas lecciones se multiplican y enriquecen. Los materiales
biológicos poseen cualidades muy interesantes que afectan de forma determinante a su
fisiología y que han sido objeto de aprovechamiento e imitación por los seres humanos
desde los albores de la civilización. Entre las principales podemos citar la
multifuncionalidad, la capacidad de adaptación, la autorreparación y el ser biodegradables
y totalmente reciclables. Estas propiedades, tan particulares y deseables, son resultado de
una compleja interacción entre su morfología, estructura y las propiedades físicas y
químicas de sus componentes. Además, en contraste con muchos materiales artificiales
que se fabrican por calentamiento y aumento de presión, la fabricación de materiales
derivados biológicamente se produce en condiciones ambientales, con mínimos residuos
y contaminación [Gordon, 1976].
Cuando hablamos de tejidos biológicos, es habitual distinguir entre tejidos duros y
blandos. Los primeros incluyen materiales como el hueso, los cuernos o las conchas de
las tortugas que tienen una función resistente muy acusada y son materiales rígidos y
razonablemente resistentes. Por el contrario, los tejidos blandos son todos los demás y en
ellos las función resistente, aún existiendo, está compensada por otras que les exige una
alta deformabilidad y con ello una estructura y composición diferentes. A continuación
haremos una breve descripción de cada uno de ellos, considerándolos como materiales
inertes, es decir, al margen de las existencia de las células presentes en ellos, que son
responsables de su crecimiento, mantenimiento, reparación y adaptación, procesos que se
estudian parcialmente en el capítulo III.
La mayoría de los tejidos vivos, tanto duros como blandos, son multifásicos, coexistiendo
al menos una fase sólida y otra fluida, estando además la primera formada, en general, por
un compuesto de materiales orgánicos, cristales inorgánicos y fases amorfas. La
diferencia esencial entre unos y otros es la existencia o no de la fase inorgánica. Este
componente mineral en los tejidos duros les proporciona la resistencia, mientras que los
componentes orgánicos dan lugar a la ductilidad (deformabilidad). Las interfaces entre la
materia orgánica blanda y el relativamente duro material inorgánico son de primordial
importancia en las propiedades del compuesto, por lo que la naturaleza ha elaborado
estrategias para asegurar su integridad en condiciones muy exigentes.
La característica más llamativa en los tejidos duros es que la matriz orgánica ocupa
apenas el 5% del volumen pero da lugar a una mejora considerable en las propiedades
mecánicas del mineral. Por ejemplo, la gruesa capa externa de la oreja de mar (haliotis)
está compuesta de nácar (figura 14) que deriva sus extraordinarias propiedades mecánicas
de una estructura organizada jerárquicamente, empezando por una gruesa capa proteica de
entre 20 y 30 nm, formada por proteínas orgánicas como la quitina y la lustrina entre
otras, prosiguiendo con cristales individuales de aragonito polimorfo de 20 a 30 nm, en
forma de bloques de 0.5–10 micras de espesor [Meyers, 2008]. Esta mezcla de plaquitas
quebradizas y de capas delgadas de biopolímeros elásticos inhibe la propagación de
grietas y consigue un material fuerte y resistente una tenacidad entre 500 a 3000 veces
mayor que su componente inorgánico principal, la tiza, que constituye el 95% de su masa.
Capítulo II. Biomimética. Lecciones de la Naturaleza al diseño en ingeniería 24
Figura 14. Esquema de capas del nácar
El hueso es otro ejemplo de material biológico de alto rendimiento que combina
materiales orgánicos blandos (colágeno, proteoglicanos y proteínas no colágenas) que
contribuyen a sus propiedades a tracción, con un mineral (hidroxiapatita) que le confiere
la rigidez y resistencia a compresión. Como en el nácar, la estructura del hueso está
organizada en varias escalas, con seis o siete niveles de jerarquía [Weiner, 1998]. A nivel
molecular, filamentos de colágeno se unen para formar una molécula de tropocolágeno.
Una secuencia de tales moléculas constituye una microfibrilla, que a su vez se agrupan en
grandes fibrillas. Dentro de estas se incrustan los cristales minerales nanoscópicos de
hidroxiapatita [Tai, 2006]. Estas fibrillas alineadas forman fibras que sirven como el
bloque principal para la conformación de estructuras más grandes comno las lamelas y
osteonas.
A nivel macroscópico, la constitución y estructura de los huesos difieren de animal a
animal, e incluso dentro de uno mismo de lugar a lugar con el fin de servir necesidades
específicas. En general, su resistencia a compresión es del orden de la del acero, mientras
es tres veces más ligero y diez veces más flexible. Además, la estructura del tejido óseo
no es uniforme, siendo un material heterogéneo, poroso y anisótropo y con
comportamiento diferente a tracción y compresión [Cowin, 1979]. De hecho, el
comportamiento mecánico del hueso se relaciona de forma bastante directa con su
porosidad, n, (figura 15a). Esta varía en los humanos entre el 5 y el 95%, aunque lo
habitual es encontrar porosidades muy altas o muy bajas. Así, se suele distinguir entre
hueso esponjoso o trabecular (n=50-95%) y compacto o cortical (n=5-10%). El primero
se encuentra en huesos cuboidales y planos y en las extremidades de huesos largos,
mientras que el hueso compacto suele encontrarse en la parte externa de los huesos,
rodeando al hueso esponjoso, formando una lámina externa (figura 15b). La combinación
de ambos forma una estructura tipo “sandwich”, muy conocida en ingeniería como una
composición altamente optimizada [Cowin, 1979].
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 25
Figura 15. (a) Estructura porosa, heterogénea y anisótropa del hueso trabecular;
(b) Estructura “sandwich”de un hueso plano
Más interesante, pero también más complejo, es el comportamiento de los tejidos
denominados blandos. Para este tipo de materiales, el módulo elástico es del orden de las
tensiones a las que se ven sometidos, es decir, se alcanzan deformaciones del orden del
100%. Algunos casos típicos corresponden a las arterias y venas, cartílagos, ligamentos,
tendones, músculos o piel. En general, son materiales compuestos formados por una
matriz orgánica muy flexible reforzada por fibras de colágeno y elastina. La organización,
por ejemplo, de los tendones muestra una estructura jerárquica, con las fibras alineadas en
una dirección preferencial [Fung, 1993], tal como se muestra en la figura 16a, mientras
que en venas y arterias son dos las familias de fibras existentes orientadas de forma
helicoidal y girando en ángulos opuestos con el fin de aportar rigidez circunferencial para
soportar la presión interna [Holzapfel, 2000]. Otra de las características típicas de los
tejidos blandos es su distribución por capas. Este fenómeno se puede observar en los
cartílagos, la piel, la córnea y de forma especialmente clara en los vasos sanguíneos
(figura 16b).
Figura 16. (a) Esquema de la estructura jerárquica de los tendones; (b) estructura en
capas de las arterias
Capítulo II. Biomimética. Lecciones de la Naturaleza al diseño en ingeniería 26
Su comportamiento depende de nuevo de su composición y estructura, especialmente del
porcentaje de fibras, sus características, direccionalidad y tipo de agrupamiento. Así, los
tejidos especializados en la resistencia a tracción (e.g. los ligamentos) son ricos en fibras
y su orientación coincide esencialmente con la dirección del esfuerzo al que están
sometidos, mientras que los que absorben elásticamente las fuerzas de compresión (e.g.
los cartílagos) son ricos en proteoglicanos y con las fibras distribuidas en varias
direcciones. Además la mayoría de ellos están sometidos a grandes deformaciones y son
fuertemente anisótropos, además de prácticamente incompresibles en un amplio rango de
deformaciones [Peña, 2007]. Finalmente, es también importante destacar que la mayoría
de estos tejidos están predeformados en forma óptima contribuyendo a reducir las
tensiones máximas en casos de gran demanda y distribuir las tensiones de forma mucho
más uniforme, dependiendo del tipo de carga específica a la que están sometidos. Esta
predeformación es consecuencia del crecimiento a lo largo de la vida del individuo en un
proceso de adaptación a largo plazo conocido como remodelación tisular [Peña, 2006].
Los tejidos hidratados, como el cartílago (articular, meniscos, discos intervertebrales,
etc.) tienen también un comportamiento altamente compresible ante cargas lentas, debido
a la evacuación del fluido interior. El objeto principal de este comportamiento es el de
proporcionar a las articulaciones sinoviales unas óptimas condiciones de lubricación,
fricción, desgaste, absorción de impactos y distribución de la carga [Pérez del Palomar,
2006]. También hay que tener en cuenta el comportamiento viscoelástico, inducido por la
fricción interna entre las fibras y entre éstas, la matriz y el fluido, que da lugar a
dependencias de la velocidad de deformación, lo que es singularmente importante en
situaciones de carga cíclica y cuando se trata de mantener una determinada tensión a largo
plazo, como sucede en las plastias de sustitución ligamentosa [Peña, 2007].
Un tejido blando muy especial es la seda de araña (figura 17). Tiene un diámetro de
alrededor de la micra, es tres veces más resistente que el acero para el mismo espesor;
puede alargarse hasta 2 veces su longitud inicial, es insoluble en agua, resistente a la
lluvia, el viento y la luz del sol y es tan ligera que el tejido necesario para dar la vuelta al
mundo pesaría 320 gramos [Bar-Cohen, 2006]. Como en el resto de tejidos biológicos,
estas características son efectos de su composición química y microestructura. Está
construida a partir de la queratina, una proteína básica en la composición del pelo,
plumas, uñas y piel, formada por cadenas helicoidales de aminoácidos unidas por enlaces
ligeros hidrogenados, dando lugar a un material más resistente y flexible que el kevlar.
De hecho, si el plegado de las proteínas se pudiese conseguir sin defectos en la misma
forma que lo hace la araña, se podrían producir industrialmente trenzados basados en
seda con propiedades desconocidas entre los materiales artificiales. Hay que tener en
cuenta, sin embargo, que la seda de araña se degrada muy rápidamente, haciendo inútil
por tanto, su uso industrial para productos duraderos, al menos sin modificaciones en su
composición o estructura.
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 27
Figura 17. Seda de araña, forma y estructura
II.3. Materiales autorreparables. Cambio de paradigma en el diseño de materiales
Las propiedades mecánicas de un material vienen limitadas en última instancia por la
cohesión entre los átomos y moléculas que lo conforman. Esto aplica a todo tipo de
materiales: metales, polímeros, cerámicas, materiales híbridos y compuestos y materiales
biológicos. Por tanto, para conseguir un material resistente y rígido necesitamos
ensamblar tantos átomos como sea posible en un volumen tan pequeño como sea posible
con una fuerza de atracción tan alta como sea posible. Hablando muy en general, una alta
cohesión da lugar a un material rígido y resistente, mientras que, por el contrario, una
cohesión débil conduce a materiales altamente deformables y débiles.
No es pues sorprendente que el diamante, compuesto por una red muy densa de pequeños
átomos de carbono, unidos entre sí mediante un enlace covalente de alta rigidez y
resistencia, sea el material natural más rígido y resistente conocido. Los nanotubos de
carbono tienen una densidad de átomos comparable a la del diamante y por tanto tienen
casi la misma rigidez, mientras que, por el contrario, en el grafito, también compuesto por
átomos de carbono, éstos se disponen en planos con una unión entre ellos mucho más
débil, haciendo de él un material exfoliante y deformable en direcciones tangentes a
dichos planos (figura 18).
Los defectos internos microscópicos (dislocaciones, microfisuras) preexistentes o
producidos por una carga inferior a la de rotura, pueden crecer y unirse mediante un
mecanismo de coalescencia hasta configurar una grieta macroscópica que, si progresa de
forma inestable, conducirá a la rotura completa del material. Es evidente, por tanto, que la
existencia de defectos iniciales, como consecuencia de una disposición imperfecta de los
átomos durante el proceso de fabricación o conformación del material, tiene un efecto
negativo sobre su resistencia y rigidez, reduciendo ambas, conduciendo a deformaciones
importantes y a la rotura ante cargas inferiores a las necesarias en el material sin defectos.
Capítulo II. Biomimética. Lecciones de la Naturaleza al diseño en ingeniería 28
A partir de este esquema, podemos intuir cuál es la filosofía subyacente en el diseño
microestructural para conseguir nuevos materiales más resistentes (van der Zwaag, 2007]:
1. Disponer los átomos en el lugar adecuado durante la producción del material.
2. Disponer los átomos en configuraciones donde les sea complicado moverse.
3. Ajustar el proceso de producción para evitar en lo posible la aparición de defectos.
(a) (b) (c)
Figura 18. Estructura del diamante (a), nanatubos de carbono (b) y grafito (c)
Podemos pues comprender que el desarrollo de materiales cada vez más resistentes ha
progresado mediante el paradigma de prevención de la aparición de defectos (daño en la
nomenclatura mecánica). Por ejemplo, en la curva de la figura 19, referente al material A,
se muestra esquemáticamente el comportamiento de un material dúctil sometido a carga
monótona: en la primera etapa de su evolución sigue todavía sin defectos, considerándose
convencionalmente un daño igual a 0. A partir de una carga dada comienzan a aparecer
los efectos macroscópicos (daño) asociados a la creación de los primeros defectos, si bien
todavía el crecimiento es estable, sin conducir a la rotura catastrófica. Si se mantiene la
carga, se produce un incremento sostenido del daño, hasta que aparece la rotura del
componente que, convencionalmente, se asocia a un valor del daño igual a 1.
La curva de daño equivalente para un material mejorado (material B) muestra un
comportamiento ligeramente diferente. La carga límite para el comienzo del daño es más
alta que la del primer material pero, de nuevo, una vez iniciado aquel, crece, en este caso
rápidamente, hasta la rotura. Éste es el comportamiento típico de materiales frágiles con
muy poca deformación antes de rotura. Por tanto, el aumento de la carga para comienzo
del daño puede no ser una solución satisfactoria ya que la rotura suele ser repentina, con
riesgo de grandes pérdidas. La curva de evolución del daño para el tercer material de la
figura (material C) muestra una mejora en el punto de comienzo del daño y también en la
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 29
velocidad de evolución del mismo. Claramente este material es mejor que el inicial en su
comportamiento estructural. Por tanto, el inicio y evolución del daño hasta rotura pueden
controlarse hasta cierto punto, si bien esta evolución es siempre creciente, siendo
imposible reducir el daño una vez que se ha producido. Incluso si la carga se elimina
completamente, cualquier daño creado permanecerá si no se ejecuta algún proceso de
reparación. La interpretación física es que las superficies creadas por las microgrietas no
pueden “pegarse” de forma autónoma, es decir, sin un proceso externo que lo permita.
Figura 19. Diagrama esquemático del nivel de daño en materiales clásicos en función
del tiempo o nivel de aplicación de la carga.
Por tanto, como la formación de daño durante la vida útil del material no puede excluirse
completamente, es necesario siempre, sobre todo para estructuras de alta responsabilidad,
el establecimiento de mecanismos y periodos de inspección y, en su caso, proveer
criterios y mecanismos para su reparación o fuera se uso. Como resultado, se ha venido
realizando un esfuerzo muy importante por la comunidad científica para el desarrollo de
técnicas precisas para la detección y evaluación del daño de forma no destructiva. Entre
ellas podemos citar las técnicas de ultrasonidos, termografía, rayos X, tomografía
computerizada, vibrotermografía y, más recientemente, incorporando tales capacidades en
el propio material mediante el embebido de redes de sensores [Fernando, 2005].
Este concepto de prevención del daño ha sido el paradigma fundamental en el diseño de
materiales y lo seguirá siendo en el futuro. Sin embargo, muchos materiales biológicos
utilizan un concepto completamente distinto. Así, el hueso no es tan resistente como para
evitar la aparición de microgrietas; muy al contrario, éstas son, omnipresentes en el tejido
óseo. Para controlar la evolución de este daño, los tejidos vivos han evolucionado creando
mecanismos que permiten la reparación autónoma y continua de los defectos [Cowin,
2000]. De hecho, si los huesos estuviesen diseñados, tal como pensaba Galileo, para
resistir sin romper (sin ninguna microgrieta) las cargas a las que están sometidos a lo
largo de toda su vida, tendrían que ser mucho más gruesos y pesados, conduciendo a la
necesidad de un gasto energético muy superior para su movimiento. El esquema
autorreparador es mucho más eficiente en conjunto (incluso si incluimos la provisión de
energía metabólica necesaria para la reparación y mantenimiento), conduce a secciones
menores, reduce el riesgo de rotura a largo plazo y evita en parte la degeneración y
envejecimiento.
Capítulo II. Biomimética. Lecciones de la Naturaleza al diseño en ingeniería 30
Esta alternativa al concepto de prevención del daño, asociada al control del daño, es la
base de los denominados materiales autorreparables. En ellos, la aparición y evolución del
daño no es un problema ya que se puede controlar su evolución mediante algún proceso
de autorreparación. El efecto de este proceso de reparación se muestra, de nuevo
esquemáticamente, en la figura 20. En el material A se produce un único efecto de
reparación que produce la recuperación parcial de las propiedades del material. Después
de esta fase, la aparición de nuevo daño como consecuencia de nuevas cargas conduce al
mismo proceso acumulativo y catastrófico de los materiales estándar, ya que el material
estaba diseñado para un único proceso reparador. El material B es capaz de producir
múltiples reparaciones, de forma que en cada ciclo reparador, el daño es reducido, pero
después de algunos de estos ciclos, no es posible mantener el proceso de reparación
conduciendo a la situación inicial aunque ahora con una vida útil mucho mayor que para
el material no autorreparable de partida. Finalmente, la figura C muestra el
comportamiento de un material autorreparable ideal en el cual los procesos de reparación
son continuos e ilimitados en número, manteniendo las propiedades funcionales de forma
permanente, salvo por otros condicionantes exteriores (impacto o sobrecarga catastrófica
inesperada, envejecimiento por otras causas, etc.).
Figura 20. Esquema de tres posibles materiales autorreparables
Volvamos ahora a los mecanismos del diseño de un material que son necesarios para
conseguir un material potencialmente autorreparable [van der Zwaag, 2007]. En primer
lugar, y de forma obvia, las propiedades del material virgen han de ser suficientes para
cumplir adecuadamente la función estructural asignada, es decir, ha de tener un número
de defectos reducido para que no se produzca pronto y quizás repentinamente su ruina.
Pero además, para tener capacidad de autorreparación, es necesario conseguir que los
defectos desparezcan más o menos espontáneamente, para lo cual el espacio creado por la
microgrieta o microporo ha de rellenarse por nueva materia capaz de volver a cohesionar
los átomos del material base, uniendo con ello las dos superficies creadas por el defecto.
Además, ese nuevo material ha de ser suficientemente resistente para que, junto al
material base, recupere de forma suficiente las capacidades iniciales. Por tanto, en los
materiales autorreparables, una fracción de los átomos componentes ha de ser móvil para
desplazarse autónomamente hasta el lugar donde se produce el defecto (en los materiales
biológicos -véase el capítulo III-, esta movilidad está adscrita al movimiento de las
células (migración) y de los fluidos intracorporales que las transportan (convección)).
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 31
Además, el agente reparante ha de ser capaz de unirse al material original en el lugar del
daño, cerrando las superficies originadas por la grieta, para entonces perder su capacidad
de movimiento y permanecer de forma permanente cerrando la lesión. Esta transición de
móvil a fijo o viceversa, puede conseguirse mediante cambios de temperatura, reacciones
químicas o deformaciones mecánicas entre otros. Por supuesto, para que comience el
proceso hace falta un detonante, es decir, un elemento sensor capaz de detectar la
aparición y localización del nuevo daño generado. Este elemento sensor ha de estar
incluido también en el material autorreparable de forma que la acción sea autónoma.
En la Tabla 1 se muestran las propiedades de un material autorreparable ideal, así como
las mínimas que hay que exigírsele para ser técnica y económicamente viable. Es evidente
que la situación actual en materiales autorreparables está próxima a las exigencias
mínimas indicadas en tal tabla, mientras que el desarrollo de materiales autorreparables
ideales está todavía lejos técnicamente.
Tabla 1. Propiedades de materiales autorreparables “ideales” y “mínimas”
Un material autorreparable ideal debe: Un material mínimo ideal debe:
Reparar el daño muchas veces Reparar el daño una vez
Reparar el daño completamente Reparar el daño parcialmente
Reparar defectos de cualquier tamaño Reparar defectos pequeños
Realizar la reparación de forma autónoma Realizar la reparación con asistencia
Dar lugar a propiedades iguales o mejores Dar lugar a propiedades inferiores
Ser más barato que los materiales actuales Ser caro
Figura 21. Estructura romana compuesta por piedras unidas por mortero autorreparable
Un primer ejemplo bien conocido de material autorreparable es el mortero utilizado por
los romanos para muchas de sus grandes construcciones civiles [Riccardi, 1998]. Este
mortero actúa como adhesivo entre las grandes piedras naturales, y aunque no tiene muy
Capítulo II. Biomimética. Lecciones de la Naturaleza al diseño en ingeniería 32
buenas propiedades mecánicas, ha mantenido unidas, sin descomponerse ni romper,
infraestructuras de gran envergadura durante más de 20 siglos (figura 21). Esta
excepcional durabilidad es consecuencia de la capacidad de cierre espontáneo de las
microgrietas que en él aparecen mediante la reacción química del exceso de cemento con
la humedad del aire, lo que lleva a una disolución controlada y reprecipitación de nuevo
material que rellena la grieta [Sanchez-Moral, 2004].
Si bien la primera patente de un polímero con autorreparación intersticial es de 1966
[Craven. 1966], la investigación en el diseño y creación de materiales auténticamente
autorreparables comenzó probablemente con el trabajo de Dry [Dry, 1994], y despegó con
el trabajo seminal de White [White et al., 2001]. Estos autores embebieron microcápsulas
huecas rellenas con un líquido adhesivo en una matriz de un material como hormigón o
epoxi (figura 22). Cuando una microgrieta pasaba por las cápsulas, éstas rompían
liberando el adhesivo que fluía sobre la superficie de la grieta, rellenándola, curando y
solidificando. La elegancia de este concepto radica en que los líquidos son intrínsica-
mente móviles, por lo que embeber un agente líquido reparador automáticamente asegura
la condición de movilidad requerida para crear un material potencialmente autorreparable.
La tercera función del disparo del proceso autorreparante proviene del efecto combinado
de la fractura y la pared de la cápsula, el catalizador, la matriz circundante y la tensión
superficial que extienden el líquido sobre las superficies de la grieta.
Figura 22. Material polimérico autorreparable [White et al., 2001]
Aunque la técnica de encapsulación de líquidos es muy elegante e ilustrativa, tiene la
desventaja de permitir una única reparación para cada cápsula rota. La autorreparación de
polímeros puede conseguirse de forma repetida mediante la reformación de las cadenas
moleculares o de las uniones entre cadenas. Así, se conoce la capacidad de conseguir
enlaces reversibles térmicamente mediante reacciones retro-Diels-Alder. Sin embargo
solo muy recientemente se ha intentado utilizar este concepto para conseguir polímeros
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 33
autorreparables [Chen, 2002]. Jones et al. [Jones, 2007] presentaron otra aproximación
distinta basada en la disolución de cadenas de polímeros en el interior de un epoxi
termoendurecible. Una elección adecuada de las cadenas con un ajuste fino de la
solubilidad en el epoxi puede hacer que éstas repten a través de la red entrecruzada y
restauren una parte importante de los enlaces moleculares entre las dos caras de una
microgrieta. La naturaleza de este proceso de autorreparación hace obligatorio el
calentamiento del material para conseguir la suficiente movilidad de las cadenas y con
ello la reparación en un tiempo razonable.
Los recubrimientos son una de las aplicaciones más atractivas para la autorreparación por
varias razones: su pequeño espesor en conjunción con una gran superficie, la presencia de
una gran superficie libre y la presencia de un sustrato. El pequeño espesor implica que las
dimensiones de las grietas son necesariamente pequeñas lo que facilita la reparación, al
necesitar de menos material reparante. La gran superficie hace que la probabilidad de
aparición de daño sea muy elevada por unidad de volumen de material, y, finalmente, la
presencia de la superficie libre permite la provisión de agente reparador o de un
componente crítico del agente reparante desde el medio líquido o gaseoso circundante o
bien desde el sustrato sólido. Van Benthem et al. [Van Benthem, 2007] describen el
desarrollo de recubrimientos autorreparables. En el caso de recubrimientos depositados
sobre sustratos vascularizados [Toohey, 2007], el mismo sustrato provee el material de
reparación. Estos ingredientes hacen que la autorreparación de recubrimientos sea una de
las aplicaciones más próximas a su comercialización. De hecho, ya se han planteado
algunos intentos industriales, uno de los cuales es la capacidad autorreparante de la capa
de protección de algunos automóviles como el de la figura 23.
Figura 23. Autorreparación de recubrimientos en automóviles
Otro ejemplo prototipo de comportamiento autorreparable son los recubrimientos
cromados [Kendig, 2003]. Estos tienen una excelente resistencia a corrosión; tan pronto
como se produce el daño se desencadena una reacción química que da lugar al
recubrimiento total de la zona dañada con una nueva capa protectora. Los recubrimientos
cromados son un material autorreparable bastante cercano al ideal aunque aún tienen
algunos problemas medioambientales.
Capítulo II. Biomimética. Lecciones de la Naturaleza al diseño en ingeniería 34
El hormigón puede hacerse un material autorreparable de una forma relativamente simple
mediante la incorporación de una fracción de cemento sin reaccionar y endurecer. Tras
penetración de la humedad ambiente como consecuencia, por ejemplo, de la aparición de
microfisuras, esta fracción reaccionará con el agua presente, endureciendo y llenando la
grieta. El mayor reto se refiere al control del tamaño de grieta ya que el hormigón normal
es propenso a formar grietas grandes cuando no se produce la autorreparación. En estos
materiales cementosos ingenierizados, el tamaño de las grietas puede controlarse por
ejemplo mediante la adición de microfibras poliméricas que mantienen pequeño el grosor
de las grietas (menos de 40 m). Hormigones con estas características han encontrado ya
hueco en aplicaciones comerciales por ejemplo en un en puente suspendido en Japón.
La autorreparación del hormigón reside pues en gran parte en el transporte de masa (agua)
vía difusión a través de las microgrietas, así como difusión de los iones a través del
material sólido base hasta la reprecipitación final en la microgrieta. Estos fenómenos son
bastante lentos dando lugar a un proceso de reparación que puede durar días. Para
acelerar y mejorar este proceso se ha considerado (y patentado) el uso de bacterias que
son añadidas en la masa del hormigón a fabricar en forma de esporas [Jonkers 2007].
Existe una variedad de bacterias capaces de vivir en ambientes muy alcalinos como es el
hormigón, y que tras despertar desde la fase de espora como consecuencia por ejemplo de
la presencia de agua, son capaces de producir excrementos de su nutrición que se
comportan como material sellante de las grietas, restaurando la capacidad portante del
material. Las esporas pueden permanecer dormidas e intactas hasta 200 años, lo que
significa que este tipo de material puede mantener su capacidad autorreparable durante
muy largos periodos de tiempo si se provee la suficiente cantidad de ellas.
Es difícil conseguir una alta movilidad en un material metálico salvo en condiciones
cercanas a la temperatura de fusión, lo que implica el aporte de mucha energía y, en
muchos casos, la imposibilidad por la pérdida de propiedades mecánicas que ello implica.
Parecería pues que la propiedad de autorreparación debe quedar restringida en este caso al
problema ya citado de la corrosión donde los electrolitos pueden moverse en la capa
líquida que baña el recubrimiento del metal o bien para casos con alta temperatura. Sin
embargo, se han obtenido también resultados muy interesantes en aleaciones de aluminio
en las que se ha conseguido reparar pequeños microdefectos por la precipitación
localizada en las zonas dañadas de microprecipitados [Lumley, 2007]. También en
materiales cerámicos muy puros como los utilizados en los recubrimientos de las turbinas
de aviones que son muy frágiles y por ello propensos a la aparición de microfisuras, se
han conseguido autorreparar hasta un cierto punto mediante la oxidación controlada de
dichas capas previamente dopadas con material fácilmente oxidable [Sloof, 2007].
Para terminar, podríamos decir que aún estamos en el periodo inicial de maduración de la
tecnología de materiales autorreparables, necesitándose de algunas décadas más para
llegar a su consolidación. Son múltiples las nuevas ideas y conceptos que se están
explorando en este momento en los centros académicos y en la industria, si bien la
cantidad de productos comerciales actualmente disponibles es mínima, siendo difícil
predecir cuándo se conseguirá la comercialización a gran escala de alguna de estas ideas
o de un material en particular. Sin embargo, las grandes oportunidades que ofrecen y las
crecientes exigencias de la industria pueden hacer que este tiempo de consolidación se
reduzca y veamos pronto algunos ejemplos realmente comerciales.
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 35
CAPÍTULO III. INGENIERÍA TISULAR Y MECANOBIOLOGÍA
“In fact when you combine stem cell technology with the technology
known as tissue engineering you can actually grow up entire organs,
so as you suggest that sometime in the future you get in an auto
accident and lose your kidney, we'd simply take a few skin cells and
grow you up a new kidney. In fact this has already been done”
[R. Lanza, 2010]
III.1. Ingeniería tisular. Concepto y componentes
Diariamente ingresan en los hospitales de todo el mundo miles de personas por causa del
mal funcionamiento de alguno de sus órganos. En muchos casos la situación se
solucionaría con un trasplante, pero debido a la carencia de órganos trasplantables, solo
un porcentaje de estos pacientes pueden ser trasplantados. En la actualidad, por ejemplo,
hay cerca de 20.000 personas en Estados Unidos esperando un trasplante de hígado. Sin
embargo, solo existen unos 5.000 hígados disponibles anualmente. El tiempo medio de
espera para estos pacientes es por tanto de dos a tres años, estando entre el 20 y 30% el
porcentaje de pacientes que no lo sobreviven. Además, el 30% de quienes reciben el
trasplante fallecen a los 5 años, mientras que el resto pueden sufrir problemas renales
derivados del propio trasplante y un aumento del riego de cáncer.
Para solucionar en parte este problema se viene trabajando desde hace más de cincuenta
años en el diseño y desarrollo de órganos artificiales que en algunos casos han sido tan
exitosos que pueden suplir órganos con mal funcionamiento. Tal es el caso de las válvulas
cardiacas artificiales, brazos y piernas protésicos entre otros varios ejemplos disponibles.
Sin embargo, en las últimas décadas, con el advenimiento de la biología molecular y la
manipulación celular y genética, entre otros muchos avances, están apareciendo nuevas
propuestas en la línea, no tanto de crear sustitutos artificiales, sino de promover la
regeneración autónoma y, en último término, la creación de órganos naturales completos.
Estas técnicas se encuadran dentro de la ingeniería de tejidos.
Este término fue introducido por primera vez en 1988 como la “aplicación de principios y
métodos de la ingeniería y las ciencias de la vida hacia el conocimiento de la relación
función-estructura en tejidos de mamíferos en condiciones normales y patológicas y el
desarrollo de sustitutos biológicos para la reparación o regeneración de un tejido o
función orgánica” [Shalak,1988]. La Ingeniería de Tejidos difiere pues de las terapias
estándar (de hecho junto a las terapias celular y génica se encuadra hoy día dentro del
grupo de las denominadas terapias avanzadas) en que los tejidos ingenierizados se
integran dentro del paciente. La Ingeniería de Tejidos es una campo multidisciplinar
emergente que aplica los principios de la biología y la ingeniería para el desarrollo de
sustitutos viables que permitan restaurar, mantener o mejorar la función de tejidos
humanos [Langer, 1993; Vacanti, 1999]. El arsenal de técnicas de la Ingeniería de Tejidos
Capítulo III. Ingeniería Tisular y Mecanobiología 36
incluye las de la biología celular, con objeto de encontrar las fuentes de células y asegurar
las condiciones adecuadas para la proliferación celular; las de la ingeniería de materiales,
necesaria para preparar materiales biocompatibles para los sustratos o andamios, y las de
la fisiología e ingenierías mecánica eléctrica, electrónica, control, necesarias para
mantener un entorno biomimético para el futuro tejido durante su etapa inicial de
desarrollo in vitro [Vunjak-Novakovic, 2003].
El objetivo, por tanto, es favorecer la creación de un tejido primigenio in vitro para
posteriormente trasplantarlo en el momento en que pueda empezar a realizar una primera
función para que termine su proceso de desarrollo y adaptación específica al receptor in
vivo. La primera etapa es, por tanto, muy similar a la que ocurre durante el periodo de
desarrollo embrionario. En él, las células se dividen, diferencian y organizan en tejidos y
órganos, produciendo mezclas de filamentos proteicos propios del tejido, la denominada
matriz extracelular. Esta primer material, además de ofrecer un soporte tridimensional
para las células, es un medio con una fuerte carga de señales bioquímicas y transductor
de estímulos biofísicos que las células entienden y traducen. La interacción célula-matriz
extracelular juega un papel crucial en la función e integridad estructural de los tejidos.
No es de extrañar pues que en el desarrollo de la ingeniería de tejidos se trate de
comprender e imitar ese doble elemento (célula-matriz), así como proveer al mismo de
las señales adecuadas para su desarrollo conforme a lo que ocurre en la naturaleza.
Sin embargo, la síntesis de una matriz extracelular suficientemente próxima a la real está
hoy día fuera de nuestras posibilidades. Es por ello que en vez de intentar reproducir la
complejísima composición de una auténtica matriz extracelular, se ha intentado fabricar
soportes más simples que sirvan de estructura base a las poblaciones celulares y de ahí su
nombre de andamios (“scaffolds” en inglés) cuyo objeto es soportar las primeras cargas
una vez colocado in vivo, y proveer a las células de un lugar donde adherirse, proliferar y
diferenciar en su caso, sirviendo de guía para la formación del nuevo tejido.
Habitualmente se requiere también que el material componente del andamio degrade a lo
largo del tiempo de forma que vaya desapareciendo, siendo sustituido progresivamente
por tejido biológico neoformado hasta que, finalmente, este repare el defecto original
[Hutmacher, 2000]. Para que todo ello se produzca de forma correcta, es necesario que el
diseño del andamio disponga de una microestructura particular que favorezca, tanto el
anclaje y motilidad celular como su nutrición. Para ello hay que garantizar valores de
porosidad, rigidez y resistencia de tales andamios, que permitan el desarrollo de un
ambiente mecánico dentro del rango fisiológico, así como la difusión de los fluidos
biológicos.
El procedimiento habitual en ingeniería tisular sigue por tanto los pasos siguientes (figura
24): inicialmente se obtienen células madre mesenquimales o del tejido particular a
reparar del mismo paciente o de un donante mediante aspiración directa bien de la
médula ósea o del periostio. El número de células madre adultas en médula fresca es, sin
embargo, muy bajo, alrededor de una por cada 10.000 células nucleadas y decrece con la
edad. Es por ello que el segundo paso consiste en amplificar el número de estas células
en una serie de pasajes de cultivo. Los procesos de cultivo y posterior sembrado en el
andamio se realizan de forma más eficiente en biorreactores que eliminan las
limitaciones de transporte de masa al interior del andamio y promueven la perfusión
cíclica de fluido con células proveyendo de nutrientes, eliminando residuos, aumentando
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 37
el número de células adheridas al andamio y, finalmente, estimulando la proliferación y
diferenciación celular mediante la tensión tangencial inducida por el flujo del fluido
[Holtorf, 2006]. El tercer paso es la implantación in vivo donde comienza la formación
de nuevo tejido y, en ocasiones, la degradación del andamio.
Figura 24. Esquema del proceso ingeniería de tejidos
Desde el punto de vista del material del andamio, la Ingeniería de Tejidos actual sigue dos
aproximaciones distintas (1) el uso de materiales sintéticos (e.g. polímeros
biodegradables, cerámicas, híbridos), y (2) el uso de biomatrices descelularizadas.
Los polímeros biodegradables se derivan de fuentes naturales o sintéticas. En general, los
sintéticos ofrecen grandes ventajas comparados con los naturales, ya que pueden
adaptarse de forma más simple y general para conseguir propiedades dentro de un amplio
rango y son de comportamiento más predecible, repetible y homogéneo que los naturales.
Además, están libres de problemas inmunogénicos. Aunque existen muchos diferentes
materiales naturales potencialmente útiles para su uso en aplicaciones de Ingeniería de
Tejidos, los más comúnmente usados para andamios tisulares son los siguientes el
colágeno, los glicosaminoglicanos (GAGs) y el quitosano [Vats, 2003]. En cuanto a los
polímeros sintéticos biodegradables que se utilizan en la Ingeniería de Tejidos, los más
populares son el ácido poliglicólico (PGA), el ácido poliláctico (PLA) y la
policaprolactona (PCL) [Park, 2007]. Para aplicaciones en tejido óseo también se han
utilizado distintos tipos de cerámicas (hidroxiapatita), vidrios bioactivos y materiales
híbridos y compuestos [Vallet-Regí, 2008].
La segunda estrategia utiliza matrices descelularizadas; por ejemplo, se han venido
usando habitualmente válvulas cardiacas procedentes de cerdo. En este caso, el tejido
extraído se procesa para eliminar todas las células y señales antigénicas reduciendo su
Adapted from [Evans et al., 2007]
Capítulo III. Ingeniería Tisular y Mecanobiología 38
inmunogenicidad. Estos constructos se implantan in vivo donde son colonizados por
células del receptor. Por supuesto, esta aproximación requiere de técnicas de
descelularización que no afecten negativamente a las propiedades de las matrices así
conseguidas o la reconstitución del tejido in vivo. Muchos de los aspectos relacionados
con la estabilidad y reabsorción de las biomatrices naturales están todavía sin resolver, si
bien los promotores de las biomatrices naturales argumentan que éstas, en contraste con
los materiales poliméricos, retienen ligandos naturales y componentes de la matriz
extracelular que son más adecuados para la adhesión celular y la endotelialización.
Después de establecer cultivos celulares viables, las células han de sembrarse en los
andamios previamente fabricados. En general, los requisitos básicos de la siembra son:
maximizar el número de células implantadas, minimizar el tiempo de suspensión y
conseguir una distribución uniforme con una alta concentración para una rápida y
homogénea formación del nuevo tejido. Para ello existen muchas técnicas de sembrado,
incluyendo la propia gravedad, la inyección, la aspiración o el paso cíclico a través del
andamio inducido por una bomba del líquido de siembra. Esto último se realiza en el
interior de biorreactores que permiten el control de CO2, oxígeno, pH, temperatura y
otras variables, además de inducir estímulos bioquímicos (e.g. provisión de factores de
crecimiento, etc.) o biofísicos (e.g. paso de fluido con velocidad y presión controladas).
Aunque las condiciones ideales de cultivo y desarrollo de matriz extracelular son
diferentes para cada tejido y no se conocen, bien, se ha demostrado que el uso de flujo
circulante (ya sea por perfusión o simplemente por rotación en el medio de cultivo)
incrementa la adhesión celular [Vunjak-Novakovic, 2003].
Figura 25. Biorreactor de cultivo celular (cortesía de Ebers Med. Tech)
También existen multitud de estudios que demuestras que las células crecen y promueven
una matriz extracelular de mayor calidad y más próxima a su equivalente natural si las
condiciones mimetizan las demandas dinámicas del entorno real in vivo. La herramienta
de nuevo para conseguirlo es el biorreactor. Obviamente, debido a las grandes diferencias
entre tejidos, no existe un único biorreactor “sirve para todo”, sino que, por el contrario,
se han propuesto una plétora de conceptos y diseños distintos [Chen, 2006]. El diseño de
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 39
biorreactores es pues exigente ya que deben favorecer el crecimiento o reabsorción de la
matriz sobre la que las células crecen a su vez, controlar la composición química del
medio, la composición del gas de incubación, la temperatura de incubación, y los
estímulos mecánicos aplicados como el flujo del fluido o la deformación del sustrato.
Además, se deben conseguir otros requisitos como un diseño compacto, esterilidad,
pequeño volumen, fácil reposición del medio y acceso al andamio (figura 25).
Uno de los últimos avances corresponde al diseño de microambientes similares a los
biorreactores, pero donde las dimensiones permiten controlar el ambiente de poblaciones
celulares muy pequeñas y con un control prácticamente local y uniforme de las variables
del proceso (temperatura, pH, aporte y consumo de oxígeno, etc.). Ello se realiza en
dispositivos microfluídicos (figura 26) donde, además de controlar la provisión de
nutrientes, fármacos o factores biológicos naturales, se puede controlar hasta cierto punto,
el ambiente micromecánico (rigidez y topografía del sustrato, aplicación de microcargas,
etc.). Este tipo de dispositivos, obtenidos mediante técnicas similares a las de los
dispositivos electrónicos como la litografía, se han aplicado en estudios de aparición de
vasos sanguíneos (angiogénesis) mantenimiento de poblaciones celulares en condiciones
especiales, efectos de fármacos en poblaciones celulares específicas con técnicas de alto
rendimiento, y muchas otras [Ayuso, 2013].
Figura 26. Dispositivos microfluídicos y células cultivadas en un entorno controlado
En la actualidad se han producido algunos éxitos realmente espectaculares en ingeniería
de tejidos. Como ejemplos puede citarse el de Warnke y colaboradores [Warnke, 2004]
que generaron una sección completa de mandíbula a partir de una estructura base de
titanio sobre la que se depositaron células madre que dieron lugar al tejido óseo que
esculpió la mandíbula final. También la implantación de una tráquea descelularizada en
uin paciente con recuperación de la función [Macchiarini, 2008] o el del grupo de Doris
Taylor, que utilizó como andamio la estructura natural de un corazón completo de rata
descelularizado, desactivando con ello la respuesta inmunológica celular del donante y
consiguiendo un andamio de características completamente naturales (figura 27). Con
posterioridad, este andamio singular fue sembrado con miocitos de otra rata en la forma
convencional, de forma que se pudo observar su proliferación e incluso un primer indicio
de capacidad funcional [Ottl, 2008].
Capítulo III. Ingeniería Tisular y Mecanobiología 40
Pero, aunque éxitos como éstos prueban que, en teoría, la ingeniería de tejidos es posible,
la aplicación rutinaria de tales estrategias todavía permanece fuera de nuestra capacidad
actual. Ello no es ninguna gran sorpresa, ya que la utilización extensiva de esa nueva
ingeniería requiere de un mucho mayor y mejor entendimiento de los principios de la
formación de tejidos del que disponemos en este momento, desde los fundamentos de la
biología celular hasta la física y biomecánica de la formación de patrones tisulares.
Figura 27. Regeneración de un corazón de rata.
III.2. Mecanobiología. Diálogo entre Mecánica y Biología
Los tejidos biológicos son materiales vivos que crecen, evolucionan y se autorreparan, al
menos parcialmente, modificando su estructura, en un proceso de adaptación al entorno
específico en el que desarrollan su función, y que responde genéricamente al nombre de
adaptación funcional o remodelación tisular, existiendo una maravillosa identificación
entre forma, composición y función que ha sido destacada por muchos autores [D’Arcy-
Thomson, 1942, Carter, 2001]. Este proceso a largo plazo sirve también para la
reparación de las microfisuras que se producen durante su función. De hecho, aunque el
crecimiento y el cambio de forma se producen esencialmente en la infancia, y la
macrorreparación se activa de forma transitoria tras una fractura o lesión interna, la
adaptación y microrreparación tisular se producen, por el contrario, a lo largo de toda la
vida [Carter, 1987].
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 41
El daño en tejidos biológicos, ya sea parcial o total, es muy común. Puede deberse a una
sobrecarga por encima de la resistencia del material en cuestión, o bien a carga cíclica que
produce la acumulación gradual de daño que, eventualmente, puede llevar a una fractura
catastrófica (fracturas por tensión o fatiga en el tejido óseo o muscular por ejemplo)
(figura 28a). Este tipo de fracturas se producen cuando el daño no se repara con la rapidez
suficiente en el proceso habitual de remodelación [Doblaré, 2004].
Una fractura macroscópica activa procesos de reparación (cicatrización, consolidación
ósea, etc.) (figura 28b) que dependen en gran medida, como es bien conocido, de la
estabilidad del órgano dañado que hay que inmovilizar hasta cierto punto, o traducido al
comportamiento físico, depende del nivel de deformación (separación entre labios de la
fractura) en el foco de fractura, que hay que mantener por debajo de un cierto valor para
asegurar la reparación. Por tanto, un mejor entendimiento de la influencia del entorno
mecánico en el proceso de consolidación ósea permitiría reducir el periodo de
rehabilitación y el diseño de protocolos paciente-específicos más eficientes con el
consecuente interés económico y social [Gómez-Benito, 2011].
Figura 28. (a) Microfisura en tejido óseo; (b) Fractura catastrófica
Otro problema que afecta a millones de personas es la artrosis que, inducida por la
acumulación de daño en el cartílago articular, deriva en ocasiones en la aparición de
defectos condrales (figura 29a). La regeneración natural del cartílago es muy pobre,
siendo pues de gran importancia el conseguir un mejor entendimiento del ambiente
mecanobiológico en el que ésta se desarrolla con objeto de mejorar los protocolos de
tratamiento y terapias actuales como la microfractura ósea o la mosaicoplastia, o bien
promover y optimizar otras como la ingeniería tisular ya comentada [Hunziker, 2002].
Finalmente, la cicatrización de heridas es un complejo proceso fisiológico con muchas
complicaciones asociadas, y que, en condiciones severas, hace sufrir a los pacientes y
puede llegar a movilidad limitada o nula, y a una pobre calidad de vida (figura 29b). En
tales condiciones, los pacientes necesitan intervención quirúrgica (en algunos casos,
repetida) y seguir un régimen de cuidado permanente de las heridas que incluye distintos
tratamientos y visitas periódicas al hospital [Clark, 1996].
Capítulo III. Ingeniería Tisular y Mecanobiología 42
Figura 29. (a) Artrosis en las articulaciones de la mano; (b) Heridas en pié diabético
Las células son los agentes principales de todos estos procesos de autorreparación en los
que se modifican el tamaño, propiedades y estructura de los tejidos. Las poblaciones
celulares actúan en estos casos de forma coordinada en procesos como la proliferación,
diferenciación, migración, apoptosis (muerte programada) y producción de matriz
extracelular, entre otros. Estos procesos están controlados, además de por la carga
genética, por complejos fenómenos de interacción célula-célula y célula-matriz, así como
por otros factores expresados por el citoplasma y núcleo celulares como consecuencia de
la programación genética, pero también en respuesta a demandas específicas del entorno
físico-químico en el que se desarrollan, que incluye, no solo la deformación mecánica,
sino otros estímulos, eléctricos y electromagnéticos, además de la dependencia de la edad,
modulación hormonal, condiciones patológicas y efectos de la dieta.
Es bien conocido hoy día que las deformaciones mecánicas influyen en la biología en
todas las escalas: la molecular (mecánica del ADN, plegamiento de proteínas), la celular
(de la que hablaremos seguidamente) y, obviamente, la tisular y orgánica, siendo
parcialmente responsables de la evolución natural (en gran parte, somos como somos por
vivir en un planeta con una gravedad como la de la Tierra).
En los últimos años se ha producido una explosión de la investigación en este ámbito. En
el caso particular de la Mecanobiología, el objetivo es entender el papel de las
deformaciones mecánicas en la respuesta biológica, con énfasis especial en el
crecimiento, degeneración, adaptación, regeneración y reparación tisular. Las células son
capaces de “sentir” la deformación mecánica local inducida por las cargas externas y por
las microfisuras y responder de forma adecuada mediante la expresión de proteínas
específicas, moviéndose, adhiriéndose a la matriz circundante, y también dividiéndose o
diferenciando a otros tipos celulares [Wells, 2008]. Para ello es necesario un mecanismo
completo de mecanotransducción que incluye [Bershadsky, 2006]:
• El sistema de mecanorrecepción que identifica el o los mecanismos que transmiten
la información asociada al nivel de deformación a la célula receptora.
• El sistema de mecanotransducción que describe el proceso de transformación de la
señal mecánica a otra señal intracelular capaz de ser transmitida y entendida por
otras células efectoras que realizarán alguna otra actividad asociada.
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 43
• El sistema de comunicación que permite transmitir la señal de las células receptoras
a las efectoras (que pueden coincidir).
La mecanodetección se basa en la conexión existente entre el citoesqueleto y la matriz
extracelular a través de integrinas. El citoesqueleto está conectado a una placa
submembránica compuesta por un complejo multiproteico con más de 50 proteínas,
quién, a su vez, se conecta a la matriz extracelular a través de integrinas específicas. Las
moléculas, a las que usualmente se anclan en la matriz extracelular, son las fibrillas de
colágeno, la laminina y la fibronectina, mientras que en el interior se forman ensamblados
multiproteicos compuestos por moléculas señalizadoras que transfieren la energía
mecánica almacenada en la matriz extracelular al citoesqueleto. De cualquier forma, la
relación exacta entre canales iónicos, integrinas, factores de crecimiento y hormonas
todavía no es conocida de forma completa [Zamir, 2001].
Las células se comunican por las “gap juctions” mediante liberación de iones a través de
canales iónicos y mediante transmisión directa de fuerzas en las denominadas “tight
junctions” [Ozawa, 2014] También es posible la utilización de canales de flujo para
difundir las sustancias químicas señalizadoras. Tal parece ser el caso del tejido óseo
donde la red de canalículos que une las lagunas donde se encuentras las células receptoras
(los osteocitos) y éstos con las primeras efectoras (osteoblastos y células de borde) se
utiliza para esta función (figura 30) [Cullinane, 2002].
Figura 30. Osteocitos y sistema de comunicación en el tejido óseo.
En la actualidad, se está haciendo un relevante esfuerzo multidisciplinar entre biólogos,
médicos e ingenieros para establecer modelos mecanobiológicos fiables y útiles en la
práctica clínica. Éstos permitirán conseguir un mejor entendimiento de los patrones de
comportamiento de los tejidos vivos, de la influencia de patologías determinadas y del
efecto de fármacos sobre un proceso celular concreto, y con ello plantear protocolos de
experimentación de forma más dirigida y menos costosa. Estos procesos son bastante
Capítulo III. Ingeniería Tisular y Mecanobiología 44
complicados de modelar ya que incluyen múltiples problemas acoplados con muy
distintas constantes de tiempo, una fuerte correlación entre escalas micro-meso-macro y,
finalmente, todavía disponemos de insuficiente información sobre los muchos parámetros
involucrados y su relación con la respuesta lo que permitiría una mejor validación de los
mismos.
En nuestra investigación nos hemos centrado en diferentes aplicaciones (remodelación
ósea, consolidación ósea, etc.) que desembocó finalmente en un marco general de
formulación de procesos mecanobiológicos [Doblaré, 2005] que incluye efectos tales
como la mecánica, el crecimiento y producción tisular ó el daño, y todo ello acoplado con
los procesos celulares básicos de proliferación, diferenciación, migración, muerte y
producción de matriz. Todo ello para varias poblaciones celulares y en el contexto de la
teoría de medios continuos multifásicos y multicompuestos.
Uno de los campos en los que las deformaciones mecánicas tienen una mayor influencia
es el de la adaptación o remodelación ósea. El hueso, como hemos comentado, se
regenera continuamente, adapta su estructura al entorno local en el que se encuentra y
puede autorrepararse tras una fractura traumática. El proceso de generación de nuevo
hueso y eliminación del antiguo es continuo, de tal forma que para un individuo sano,
entre el 15 y el 25% del esqueleto se regenera cada año. Esto es posible por la existencia
de células especializadas que cumplen varias funciones. Así, las deformaciones
mecánicas son detectadas en el hueso por los osteocitos, células óseas que se encuentran
embebidas en el interior del tejido en las denominadas “lagunas óseas”. Los osteocitos
actúan como sensores de deformación [Huiskes, 2000], liberando distintas sustancias
bioquímicas que permiten reclutar otro tipo de células denominadas osteoclastos que
están especializadas en disolver el hueso (mineral y colágeno), dejando cavidades en la
superficie o interior del material. A continuación, los osteoclastos reclutan a un tercer
grupo celular, los osteoblastos. Éstos producen colágeno que posteriormente será
mineralizado en un proceso lento de biomineralización que dura varios años, dando lugar
finalmente al hueso neoformado. Todas las células del hueso, a excepción de los
osteoclastos, están interconectadas a través de las ramificaciones de los osteocitos
formando una red celular conectada (CNN) (figura 30). Esta red aporta una ruta para el
paso rápido de iones y de moléculas mensajeras [Cowin, 2000].
La remodelación ósea es pues consecuencia de un proceso simultáneo de formación y
reabsorción tisular, de forma que la masa ósea local se mantiene en una situación de
equilibrio dentro de un rango de deformación, variable para cada hueso, edad y función.
Fuera de este rango, deformaciones menores se traducen en una pérdida de masa,
mientras que mayores deformaciones inducen un aumento. A modo de ejemplo, en los
viajes espaciales prolongados, se produce una pérdida de masa considerable, de hasta un
7% de la total del esqueleto, habiéndose demostrado que esta reducción puede prevenirse
mediante estímulos de alta frecuencia y corta duración [Goodship, 1998].
Aunque se han propuesto muchos estímulos mecánicos diferentes, parece que existe una
clara correlación entre velocidad de deformación y la hipertrofia del hueso [Malone,
2007]. De hecho, las cargas intermitentes son más efectivas que las estáticas. Otros
autores sustentan que el daño en la matriz ósea puede afectar a la capacidad del osteocito
de detectar la deformación, habiéndose comprobado que las microgrietas internas están
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 45
asociadas con zonas de reabsorción ósea, que es el primer paso en el proceso de
remodelación [Verbogt, 2000]. Ambos efectos están de acuerdo con el hecho, defendido
por varios autores, de que el principal agente que controla los mecanismos celulares es el
movimiento del fluido inducido por la deformación. Se ha sugerido que un flujo
relativamente pequeño puede estimular a los osteocitos transmitiendo tensiones sobre sus
ramificaciones. Además, mediante la acción del fluido, las deformaciones en el tejido se
amplifican hasta alcanzar valores a los que sí se ha demostrado responden los osteocitos
[You, 2001]. El movimiento del fluido intersticial a través de canalículos y lagunas
cumple, por tanto, no solo las funciones de transporte de los nutrientes y evacuación de
desechos, sino que ejerce sobre las ramificaciones celulares una fuerza lo bastante grande
como para que ser detectada por los osteocitos, que reaccionan generando potenciales
eléctricos y señales bioquímicas. Así, se ha demostrado que son capaces de traducir con
rapidez la deformación mecánica en prostaglandina y óxido nitroso [Klein-Nulend, 1995].
El modelado matemático de todos estos efectos es complejo. No es extraño pues que los
modelos se hayan ido complicando a lo largo de la historia, incorporando
progresivamente los efectos anteriormente enunciados. Así, la primera expresión que trató
de relacionar la estructura particular del tejido óseo y a partir de ella sus propiedades
mecánicas, con el estado tensional al que se encuentra sometido suele atribuirse a Julius
Wolff (1834-1910) (figura 31a), quién estableció lo que se conoce en la literatura como
“Ley de Wolff” [Wolff, 1884].
Figura 31. (a) Julius Wolff; (b) Trayectorias de las trabéculas según von Meyer
Esta aseguraba que la característica estructura del tejido óseo trabecular está regulada por
las trayectorias de las tensiones principales a las que se encuentra sometido. Basándose en
el hecho de que las direcciones principales de tensión son perpendiculares, Wolff pensaba
que las trayectorias del alineamiento óseo trabecular debían intersectar de forma
perpendicular, formando una red ortogonal. Según ello, criticó los dibujos del anatomista
suizo von Meyer (figura 31b) en los cuales las trabéculas no intersectaban en ángulos
rectos. Hoy día se sabe que no es la estructura trabecular, sino su promedio
homogeneizado el que sigue la ley de Wolf [Cowin, 2001].
Capítulo III. Ingeniería Tisular y Mecanobiología 46
La mayoría de los modelos que se han propuesto y siguen proponiéndose para reproducir
este proceso de adaptación son fenomenológicos y se basan en la idea de que el hueso
necesita un cierto nivel de estímulo mecánico para mantener sus características por lo que
intenta autorregularse para mantener dicho nivel, lo que se conoce como proceso
homeostático (véase [Doblaré, 2004] para una revisión).En los últimos años, sin embargo,
han aparecido algunos modelos que, por el contrario, incorporan los principales procesos
biológicos e incluso bioquímicos además de los mecánicos (véase [Doblaré, 2005] para
una revisión del tema). En la figura 32b se muestra la distribución de densidad ósea
obtenida con este modelo para el fémur sano y después de 1000 días tras implantación de
una prótesis Exeter [García-Aznar, 2005]. Se observa una clara pérdida de masa ósea en
el zona proximal interna del cortex. Además, la cantidad de hueso reabsorbida va
decreciendo de la zona proximal a la distal. La cantidad y localización de la reabsorción
ósea están en muy buena correspondencia con los resultados experimentales observados y
mostrados en la figura 32c [Maloney, 2002].
Figura 32. Distribución de densidades tras implantación de una prótesis Exeter.
La consolidación de fracturas óseas es la respuesta biológica ante una lesión traumática
con el fin de restituir la forma original del hueso fracturado. Después de la fractura se
activa un complejo proceso celular consistente en inflamación, crecimiento,
diferenciación tisular, osificación y remodelación. Inicialmente, en los primeros días, el
proceso inflamatorio comienza a eliminar el tejido dañado circundante y a configurar un
hematoma. Al mismo tiempo, los fibroblastos proliferan y los capilares empiezan a
invadir el área dañada, formando un tejido denominado de granulación en respuesta a las
citoquinas liberadas por el tejido dañado. El papel de este nuevo tejido es muy importante
porque permite la invasión de las células mesenquimales al lugar de la fractura y
constituye un primer esqueleto sobre el que se configurará la producción del nuevo tejido
regenerado. Si la estabilidad mecánica es adecuada, las células madre mesenquimales
comienzan a diferenciar a osteoblastos en zonas alejadas del foco de fractura, formándose
hueso intramembranoso. A continuación, se produce la diferenciación en hueso y
cartílago en diferentes partes del callo óseo, como consecuencia de la diferenciación de
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 47
las células mesenquimales en osteoblastos y condrocitos. Al mismo tiempo, el frente de
osificación intramembranosa avanza hacia el centro del callo. Posteriormente, la
osificación endocondral comienza con la calcificación del cartílago y su posterior
sustitución por hueso, hasta conseguir la consolidación completa. Más tarde aún, se
reabsorbe el callo externo y el hueso intramembranoso en el foco de fractura remodela en
hueso cortical más organizado [Einhorn, 1998].
Todo este proceso depende muy directamente del movimiento relativo de los fragmentos
óseos, así como de la distribución de deformaciones en las proximidades del foco de
fractura. De hecho, en ausencia de movimiento o cuando éste es muy pequeño se produce
únicamente la osificación intramembranosa sin paso intermedio por cartílago, mientras
que, por el contrario, si el movimiento interfragmentario, como consecuencia de una
estabilización incorrecta, es muy grande se puede producir daño en el tejido de
granulación alterándose el proceso normal de regeneración y desembocando en una no
unión [Claes, 1997].
De nuevo se han desarrollado muchos modelos computacionales durante los últimos años
para simular la consolidación de fracturas óseas [Carter, 1988; Kuiper, 1997; Ament,
2000; Bailón-Plaza, 2001; Gómez-Benito, 2005]. En el último citado, desarrollamos un
modelo matemático que simula el proceso de regeneración incluyendo el crecimiento del
callo, así como la síntesis, degradación, daño, calcificación y remodelación de la matriz
extracelular con el tiempo. En la figura siguiente (figura 33) se observa la tendencia en la
evolución de la concentración de los distintos tipos de células.
Cuatro semanas después de la fractura podemos ver (figura 33a) cómo, en la separación
de 1 mm., el frente de osificación avanza desde el periostio hacia el callo, estando éste
ocupado principalmente por células de cartílago (condrocitos), mientras que unos pocos
fibroblastos se sitúan entre el callo y el foco de fractura. En la figura 33b podemos
observar cómo la tendencia para la separación de 2 mm es la misma, pero en este caso se
forma un callo de mayor tamaño y el avance del frente de osificación es más lento. Sin
embargo, cuando observamos la evolución en la separación de 6 mm. (figura 33c), se
observa que es distinta a los casos anteriores; el frente de osificación avanza desde el
periostio, pero el callo está ocupado por fibroblastos que generan un tejido fibroso de baja
calidad. Ocho semanas después de la fractura, las separaciones de 1 y 2 mm (figura 33a,b)
han consolidado formando el puente óseo entre los fragmentos fracturados. Por el
contrario, en la de 6 mm, el callo de fractura continúa ocupado por tejido fibroso (figura
33c), indicando la aparición de una no-unión o pseudo-artrosis, como de hecho ocurrió en
los experimentos de Claes y colaboradores [Claes, 1997].
Estos resultados permiten inducir que la utilización adecuada de un régimen de cargas
sobre una fractura reciente podría acelerar y mejorar el proceso de consolidación. Esta
afirmación ha sido chequeada en muchas ocasiones en distintos modelos experimentales.
Por ejemplo, en Gómez.Benito et al. [Gómez-Benito, 2011] se indujeron cargas de alta
frecuencia y baja intensidad en una fractura inducida en tibia de oveja y se monitorizaron
a lo largo del tiempo la evolución de la rigidez del callo de fractura con un sensor que
emitía sin cables a un ordenador central (figura 34). El resultado fue que, efectivamente,
era posible acelerar el proceso de consolidación, abriendo opciones para su extensión a
pacientes humanos.
Capítulo III. Ingeniería Tisular y Mecanobiología 48
1a
2a
1b
2b
1c
2c
(A) (b) (C)
Figura. 33. Evolución de la concentración de (A) células de cartílago, (B) fibroblastos,
(C) células óseas para la separación de 1 (a), 2 (b) y 6 (c) mm.; 4 semanas (1) y 8
semanas (2) después de la fractura.
Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 49
Figura 34. Oveja monitorizada para seguimiento de la evolución de la rigidez del callo
de fractura sometida a cargas cíclicas de baja amplitud.
Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 51
CAPÍTULO IV. NUEVA ECONOMÍA Y EMPLEO. REQUISITOS Y
FORMACIÓN DEL INGENIERO EN EL SIGLO XXI
“The ideal engineer is a composite ... He is not a scientist, he is not a
mathematician, he is not a sociologist or a writer; but he may use the
knowledge and techniques of any or all of these disciplines in solving
engineering problems”
[N. W. Dougherty, 1955]
IV.1. Nuevos esquemas de empleo y formación
La velocidad de cambio tecnológico, comentada repetidamente, unida al acceso
universal a la información, y a los cambios sociales y culturales derivados, exigen,
en esta sociedad del conocimiento, un nivel de formación y readaptación de los
individuos y colectivos que no tiene precedentes.
Ello hace que seamos testigos de la aparición de fuertes tensiones en el empleo, con
desempleo estructural en actividades tradicionales, compatible con una gran
demanda insatisfecha en actividades asociadas a la nueva economía, algo
característico de una revolución económica, como ya sucedió anteriormente en la
revolución industrial. Diseñadores e implementadores de aplicaciones para móviles,
gestores de comunidades virtuales, diseñadores para fabricación 3D, expertos en
sostenibilidad, especialistas en minería de datos para aplicaciones sociales y de
mercado, operadores de datos masivos, diseñadores a partir de la experiencia del
cliente, tecnólogos de la nube, proveedores de servicios y apoyo a discapacitados y
tercera edad, son algunas de las profesiones que se prevén con mayor demanda en
los próximos años en Estados Unidos, obviamente con grandes dificultades para
disponer de una oferta suficiente y capacitada.
Pero además, es el mismo concepto de trabajo el que está cambiando. Ya no es
necesaria la total sincronización espacio-temporal, como nos lo demuestra el
comercio electrónico donde no es necesaria la presencia del comprador y el
vendedor, en un mismo lugar y al mismo tiempo, para realizar una operación
comercial. Como ya expresó Cairncross en 1997 [Cairncross, 1997]: “dentro de 50
años parecerá extraordinario que millones de personas se trasladaran de un
inmueble (su casa) a otro (su oficina) cada mañana y que el proceso se repitiera por
la tarde en sentido contrario... Esta movilidad desperdicia tiempo y espacio. Un
inmueble -la casa- se queda vacío todo el día; otro -la oficina- se queda vacío toda
la noche. Todo esto les parecerá verdaderamente extraño a nuestros nietos.”.
Aunque es previsible, y de hecho se está produciendo ya, un cierto desarrollo de la
economía del trabajo en casa, inercias de todo tipo bloquearán todavía durante
mucho tiempo esta evolución. Además, en muchas situaciones, la coordinación
virtual de las actividades y el intercambio electrónico de conocimientos no bastan.
La espontaneidad de la presencia y la agrupación físicas siguen siendo
frecuentemente esenciales.
Capítulo IV. Nueva economía y empleo. Requsistos y fomación del ingeniero para el siglo XXI 52
Otro aspecto importante a considerar es la complejidad y amplitud del
conocimiento. En la tarde del 7 de Mayo de 1959, el Dr. Charles Percy Snow entró
en el prestigioso Senado de la Universidad de Cambridge para impartir la
conferencia titulada Las dos Culturas y la Revolución Científica [Snow, 1959]. En
ella, Snow reflexionaba sobre las malinterprestaciones que según él existían entre
las dos comunidades principales, productoras de conocimiento, los intelectuales
literarios y los científicos naturalistas. Snow, científico de profesión y escritor de
vocación, sostenía que las dos culturas tenían una imagen de la otra completamente
distorsionada y que sus actitudes eran tan diferentes que, incluso a nivel emocional,
no era fácil encontrar muchas bases comunes. Snow consideraba esta situación
como completamente destructiva, por lo que la aproximación de ambas culturas, no
solo era para él una necesidad en el sentido intelectual, sino también en el práctico
Desde entonces, el número de comunidades científicas se ha multiplicado. Las dos
culturas originales han pasado a cuatro, con las ciencias sociales y tecnológicas con
sus propias y distintivas particularidades. Además, estas cuatro culturas madre se
han dividido en numerosas ramas especializadas, que se han incrementado
exponencialmente en las últimas décadas. Un estudio realizado en 1992 identificó
hasta ocho mil quinientos treinta campos de conocimiento distintos, como resultado
de la especialización creciente y la superposición de dominios.
Mediante la división progresiva del trabajo, hemos alcanzado cotas inimaginables
de progreso económico e intelectual. Sin embargo, la creciente especialización ha
acabado por convertirse más en institucional que en necesidad intelectual,
conduciendo a expertos magníficos en áreas cada vez más pequeñas. Por primera
vez desde la consolidación del método científico, la especialización intensiva, hasta
ahora imprescindible para el avance científico-técnico, ya no es suficiente para
abordar con garantías los grandes retos científicos y tecnológicos actuales. Uno de
los retos de este siglo será, sin duda, la síntesis e integración del crecimiento
exponencial del conocimiento humano, en un todo más inteligible. A pesar de esta
evidencia, las excursiones fuera de los ámbitos reconocidos como propios por una
disciplina son normalmente penalizadas en aras del mantenimiento de un orden
institucional excesivamente estático.
Podríamos resumir diciendo que los requisitos para la empleabilidad en esta nueva
sociedad han cambiado. Lo que hoy se precisa, y por tanto se valora, además de las
imprescindibles competencia técnica en la especialidad correspondiente y el
dominio de las tecnologías de la información, son la creatividad, la autonomía
personal y el pensamiento crítico, la capacidad de innovación y de relaciones
humanas, la capacidad de trabajo en equipo y de comunicación, incluyendo lenguas,
la aptitud para aprender, la relación reflexiva entre conocimiento teórico y práctico,
el equilibrio entre excelencia disciplinar y visión global y a largo plazo y,
finalmente, el compromiso con la empresa y la sociedad en su conjunto.
Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 53
IV.2. ¿Qué es y qué se requiere de un ingeniero en el siglo XXI?
A partir de las líneas anteriores, parece evidente que las fronteras entre disciplinas
se están progresivamente difuminando. Por ello, podemos preguntarnos en este
momento por el sentido de la ingeniería y por la particularidades que ha de cubrir la
función ingenieril, además de las demandas generales anteriores.
Comenzaremos con una vista atrás siguiendo en gran medida, y en muchos caso de
forma directa, al magnífico ensayo de Manuel Silva sobre la historia de la
ingeniería y su enseñanza en España [Silva, 2006]. En la obra de Silva se cita que,
según J. Corominas [Corominas, 1973], la palabra ingeniero aparece en castellano
hacia 1450, probablemente traducción de “ingegnere”, término italiano del siglo
XIII, que deriva, a su vez, de otro latino tardío, “ingenierus” cuyo significado es “el
que diseña y construye “ingegni”, es decir, máquinas de guerra”. En Francia,
también se designa por “ingeniator”, desde el siglo XII, al técnico especializado en
las máquinas de guerra, que devendrá en “ingeniarius” e “ingeniousus” en el siglo
XIII. La palabra actual, “ingeniero” deriva también de ingenio, vinculándose por
tanto a la facultad de discurrir o inventar. Por tanto, un ingeniero tiene el oficio (-
ero) de creador (ingenio-gen), tal como indica, de otra manera N.W. Daugherty
[Daugherty, 1955] en la cita con la que comienza este capítulo.
Mucho más moderno es el sustantivo científico; de hecho, la Real Academia
Española lo incluye en el DRAE de 1950 con la siguiente acepciones:
“CIENTÍFICO (del latín scientificus, de scientia, ciencia, facere, hacer): adj. Que
posee alguna ciencia o ciencias. U.t.c.s.m. || Perteneciente a ellas”. En realidad, el
sustantivo “scientist” se acuña en 1833, por William Whewell a sugerencia del
poeta y filósofo romántico Samuel Taylor Coleridge. Construido por analogía con
“artista”, designa a unos nuevos profesionales especializados en encuadrar hechos
naturales en marcos conceptuales. El uso de esta palabra se generaliza en las islas
en las últimas décadas del siglo XIX, con nuevos matices que lo aproximan al
concepto actual del término.
Desde mediados del siglo XVIII se comienzan a observar dos modelos de ingeniero
bastante diferentes, uno en el continente europeo y el otro en las islas británicas. En
la tradición continental básica, nacida en Francia y que en España se toma como
referencia, los “Ingénieurs d’État” tienen escuelas específicas, extremadamente
elitistas. En cada una de ellas se transmite el conocimiento y el arte de la rama de la
ingeniería que corresponde a un cuerpo facultativo de la Administración. De
formación academicista, el término ingeniería hay que entenderlo en este caso como
derivado de ingenio en su acepción de capacidad intelectual. La segunda tradición,
en Reino Unido y países anglosajones, aparece como una forma evolucionada de la
gremial, e ingeniero proviene de máquina (“engine”). Esta dualidad de
concepciones se traduce en instituciones educativas muy diferenciadas: en nada se
parecen conceptual y metodológicamente los estudios en las Grandes Écoles
francesas, a los impartidos en los Polytechnic Institutes británicos.
La institucionalización de la ingeniería en España comienza en el Siglo de las
Luces, fundándose en 1711 el Cuerpo de Ingenieros de los Exércitos, Plazas,
Puertos y Fronteras de S. M., a quienes les competen no solo las funciones
Capítulo IV. Nueva economía y empleo. Requsistos y fomación del ingeniero para el siglo XXI 54
castrenses propias (fortificaciones y comunicaciones, en particular), sino las civiles
de reconocimiento e intervención territorial, en particular a través de obras públicas
estructurales (construcción de caminos, puentes, canales, puertos, reales fábricas,
trazado urbanístico, cartografía e incluso hospitales, escuelas y palacios). Además,
la Corona funda los cuerpos militares de Ingenieros de Marina (1770), con
competencias no solo en arquitectura naval, sino también en edificación militar y
civil, y de Ingenieros Cosmógrafos de Estado (1796), especializado en astronomía y
sus “aplicaciones en la vida civil, Navegación, Medicina, Agricultura y Geografía”,
cartografía y meteorología. Al tiempo, en el ámbito civil se crea la Inspección de
Caminos y Canales (1799) y los ingenieros de Minas (1777).
Desde entonces, la función del ingeniero se ha ampliado y modificado
sustancialmente haciendo más cercana la función y aprendizaje de ingenieros y
científicos. Además, las complejidades crecientes de los problemas a tratar han
hecho que las ingenierías originales se hayan progresivamente especializando
dependiendo de si su foco está en la comprensión más profunda de una ciencia, de
tal manera que los problemas pueden ser muy variados, pero dentro del ámbito de la
misma (ingeniero especialista) o, alternativamente, si su foco está en un espectro de
aplicaciones donde ha de aplicar varias ciencias, quizás de una forma no tan
profunda, pero sí más integrada (ingeniero generalista). La primera se define por
sus fundamentos científicos. Por ejemplo, la ingeniería mecánica, la ingeniería
eléctrica, la electrónica o la química son ejemplos de disciplinas ingenieriles
basadas en una ciencia física o química. La segunda categoría se define por aquellos
a los que sirve. Tal es el caso de la ingeniería de minas, la ingeniería industrial, la
ingeniería agronómica, la ingeniería civil o la ingeniería de telecomunicaciones.
En el caso particular de las ingenierías relacionadas con la salud y la biología, si nos
fijamos, por ejemplo, en la definición establecida para la bioingeniería por los
National Institutes of Health americanos: “la bioingeniería es una integración de los
principios de las ciencias físicas, químicas y matemáticas, así como de la ingeniería
para el estudio de la biología, medicina, comportamiento o salud. En ella se
producen nuevos conceptos y se crea nuevo conocimiento, desde el nivel molecular
a los sistemas orgánicos y se desarrollan biologías, materiales, procesos,
dispositivos y aproximaciones informáticas innovadoras para la prevención,
diagnóstico y tratamiento de enfermedades, para la rehabilitación de pacientes y la
mejora de la salud en general.”, es claro que es el enfoque aplicado el que prima e
identifica la bioingeniería en cuanto a su relación con la medicina y el
mantenimiento de la salud. Por el contrario, en la actualidad, se está empezando a
configurar un nuevo perfil que complementa al anterior y que, todavía también sin
consolidar, se ha venido en denominar ingeniería biológica. Contrariamente a la
bioingeniería, es una especialización basada en una ciencia, requiriendo un mucho
mayor conocimiento de los fundamentos de la biología, además de los de la
ingeniería y sus técnicas.
Parece razonable pensar que ambos tipos de ingenieros, especialistas y generalistas,
serán necesarios y que aparecerán sucesivas especialidades (materiales, fotónico,
matemático, etc.) y ámbitos de aplicación (energía, nube e internet, ingeniero
tisular, etc.).
Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 55
Por otra parte, los científicos puros se aproximan cada vez más a las aplicaciones,
mientras que los ingenieros han de tener una fuerte base científica. Podemos pues
preguntarnos con todo sentido ¿Cuál es pues el elemento esencial que distingue a un
ingeniero? En mi opinión este radica en el carácter director de las aplicaciones
reales. Ello modifica sustancialmente el entorno de trabajo y las metodologías de
uso, ya que el ingeniero ha de lidiar irremediablemente con las particularidades y
limitaciones que exige la realidad. Entre estas destacaría las siguientes: datos
insuficientes, en ocasiones difusos y poco conocidos e incluso, en algunos casos,
contradictorios; restricciones económicas (los recursos son limitados y hay que
intentar reducirlos al máximo compatible con la calidad y la fiabilidad);
imposibilidades de forma y fabricación; restricciones derivadas del problema
particular a resolver (dimensiones, ubicación, entorno, etc.).
La función del ingeniero es pues particularizar leyes científicas generales a un
problema específico, teniendo en cuenta las restricciones anteriores, para obtener la
mejor solución posible dentro del espacio de soluciones viables. El mejor ingeniero
es pues aquel que conoce suficientemente bien la ciencia para entender sus
principios, limitaciones y rango de validez, de forma que es capaz de
particularizarla, en muchos casos mediante la inclusión de hipótesis simplificativas
necesarias, para la consecución de una solución factible con un costo y en un
tiempo limitado. Por otro lado, ha de ser capaz de establecer y modelar los objetivos
funcionales y económicos a conseguir y, al mismo tiempo, las restricciones
particulares del problema. En algunos casos, estas son cuantificables y traducibles
en un modelo matemático, mientras que en muchos otros son solo cualitativas e
incluso heurísticas o derivadas de la experiencia personal. Finalmente, ha de ser
capaz de encontrar soluciones mediante el uso de algoritmos varios. Entre ellos se
encuentran los métodos matemáticos de resolución de sistemas de ecuaciones
algebraicas e integro-diferenciales y las técnicas de programación matemática, por
lo que debe controlar hasta cierto punto estas técnicas, al menos como usuario, y
conociendo bien, de nuevo, sus posibilidades, limitaciones y grado de
aproximación.
Finalmente, no debemos olvidar lo antedicho en cuanto al papel creciente de la
integración en grandes proyectos, complejos y multidisciplinares, donde
interaccionan especialistas de muy distinta índole y extracción, pero donde hacen
falta “intérpretes” capaces de hablar distintos lenguajes y favorecer la interacción,
lubricando y promoviendo las interfaces. Mi opinión personal es que el ingeniero
está especialmente preparado para ejercer este papel. Su perfil práctico, más
cercano a las herramientas que a la profundidad científica, su interés en la
aplicación y su convicción sobre la necesidad de dar soluciones bajo restricciones
múltiples, le permiten entender mejor los objetivos globales, aún a costa de no
dominar completamente las técnicas más especializadas. De hecho, el ingeniero se
ha convertido en imprescindible en cualquier grupo multidisciplinar, tanto para la
resolución o apoyo en problemas tecnológicos, como para ejercer su papel de centro
de conexión.
Capítulo IV. Nueva economía y empleo. Requsistos y fomación del ingeniero para el siglo XXI 56
IV.3. Reflexión sobre la formación del ingeniero en la Sociedad del
Conocimiento
Terminaré volviendo en cierta manera al principio, recalcando el cambio de
paradigma que se está produciendo en el ámbito formativo, en general, y en
particular, en la enseñanza de la ingeniería.
Nunca como hasta ahora ha sido demandada tanta formación durante tanto tiempo,
ni tan fuerte la presión para la generación y difusión de nuevos conocimiento.
Tampoco lo ha sido la competencia formativa con la aparición de muy distintos
centros de distinto nivel que ahora compiten internacionalmente. Y no solo de
forma presencial, sino a través de una oferta interminable de cursos en internet y
“mocks”, muchos de ellos reconocidos oficialmente por universidades de prestigio e
impartidos por profesores y con medios de primer nivel.
Solo los centros capaces de competir con éxito en este difícil mercado serán capaces
de aprovechar aquellas oportunidades. Para ello tendrán que satisfacer los
requerimientos de múltiples clientes, de variada formación, edad y necesidades, así
como empresas necesitadas de asesoramiento e investigación; y, finalmente, la
sociedad en su conjunto ansiada de opiniones críticas, cultura, ciencia y
capacitación tecnológica.
Los cuerpos doctrinales, tan estáticos hasta hace relativamente poco, se mueven con
rapidez, así como aparecen nuevas demandas y capacidades que han de cubrirse. La
adscripción formal de la investigación y docencia a ámbitos predefinidos y cerrados
que pudo tener sentido cuando el avance científico era más lento y la información
disponible necesitaba de acumulación, consolidación y reposo, ya no parece
posible. Ello obliga a adoptar mecanismos de información, decisión e
implementación mucho más dinámicos y flexibles, capaces de reorientar rápida y
eficazmente la actividad y formas de trabajo en la educación superior. La toma de
decisiones excesivamente basada en lo disponible y consolidado es, desde luego,
más cómoda y confortable, pero nos mantiene siempre detrás de los audaces,
limitando oportunidades y conduciendo a una formación e investigación menos
innovadoras.
En nuestro país, los cambios continuos de estructura formativa en la Universidad
(hasta tres planes de estudios distintos han coexistido durante algún tiempo), junto
al diferente nivel de los que ingresan, las demandas de los empleadores derivadas
de una sociedad y economía asimismo en continuo cambio, y, finalmente, la oferta
realmente inabarcable de información y formación al alcance de los interesados,
hacen que sea cada vez más difícil responder a la preguntas de ¿qué? y ¿cómo?
enseñar una profesión determinada y, en particular, una ingeniería.
Para contestar a estas preguntas debemos, por un lado, recuperar las demandas de
las empresas a la práctica totalidad de sus empleados: competencia técnica en su
especialidad, dominio de las tecnologías de la información, creatividad, autonomía
personal, pensamiento crítico, capacidad de innovación y de relaciones humanas,
capacidad de trabajo en equipo y de comunicación, incluyendo lenguas, aptitud para
aprender, equilibrio entre conocimiento teórico y práctico y entre excelencia
Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 57
disciplinar y visión global y a largo plazo y, finalmente, compromiso con la
empresa y la sociedad en su conjunto. Por otro lado, debemos recordar los
fundamentos y elementos esenciales que distinguen a un ingeniero en la actualidad:
objetivos basados en la aplicación, capacidad de toma de decisiones con datos
insuficientes o contradictorios y con restricciones múltiples, entre las que hay que
destacar la económicas, conocimiento de las leyes científicas generales, sus
principios, limitaciones y rango de validez y conocimiento de las metodologías que
le han de permitir encontrar una solución factible en un plazo y costos razonables.
Según lo anterior, se ha de enseñar los fundamentos de las disciplinas esenciales en
la ingeniería, como de hecho se hace ahora: matemáticas, física, química,
termodinámica, mecánica, electricidad, electrónica, control, etc., pero siempre
relacionándolas con aplicaciones reales y sus restricciones derivadas, de tal manera
que adquiera el sentido crítico sobre las mismas, la capacidad de tomar decisiones
en contextos reales e incompletos, el orden de magnitud de las variables de diseño,
una primera experiencia en cuanto a la validez de las hipótesis simplificativas y,
finalmente, conocimiento sobre algoritmos y metodologías de cálculo aunque sea
solo como usuario.
En segundo lugar el trabajo en grupo en contextos complicados e interdisciplinares,
así como la integración de experiencias y conocimientos múltiples ha de ser otro de
los conductores de la enseñanza en ingeniería. Para ello, la participación, y
dirección más adelante, de proyectos complejos que acaben en un prototipo
evaluable es el camino adecuado. En estos casos es imprescindible seguir el proceso
completo, desde la definición de especificaciones hasta la evaluación del
cumplimiento de las mismas, con el consiguiente aprendizaje posterior a partir de
los resultados (lecciones aprendidas). Varios de estos proyectos (quizás uno por
año), con creciente nivel de complejidad, pueden ser la vía para alcanzar este
objetivo.
En tercer lugar, la capacidad de comunicación de su actividad y resultados previos
es otro de los elementos esenciales. Los trabajos anteriores han de ser presentados y
defendidos de forma adecuada, tanto por escrito como oralmente, quizás en alguna
lengua distinta de la materna, tal como hará en su empleo posterior. Por otro, lado,
la información científico-técnica, tiene sus propios modos de organización y
presentación, por lo que algunos ejercicios relacionados con la redacción y
presentación de informes y artículos científicos y su defensa deberían incluirse en
este apartado.
Otro elemento importante se refiere a la recopilación, síntesis y entendimiento de la
información. Internet incluye la práctica totalidad de la información disponible
sobre un tema si se sabe encontrar, clasificar, sintetizar y distinguir entre lo útil y
accesorio. Esto es imprescindible para un profesional de la ingeniería actual, por lo
que la realización de algún estado del arte sobre un tema de especialidad y su crítica
por él mismo y por los compañeros debe ser parte de la formación.
Otro aspecto es el fomento de la capacidad de innovación. Aunque entender de un
tema concreto es importante como punto de partida, no lo es menos que debemos
intentar avanzar sobre él y proponer algo nuevo, en cualquier ámbito científico,
Capítulo IV. Nueva economía y empleo. Requsistos y fomación del ingeniero para el siglo XXI 58
técnico u organizativo. Es por ello que la investigación, propuesta y discusión de
ideas de cambio y mejora e, incluso, ¿por qué no?, de “ideas locas” disruptivas debe
fomentarse en foros “ad hoc”.
Las metodologías disponibles han de dominarse hasta un cierto nivel. Hasta este
momento, y como se ha citado repetidamente, la fragmentación de disciplinas ha
hecho que se presente como distintos y/o se repita en formas variadas, principios y
metodologías que son idénticos, simplemente porque la aplicación o la asignatura
correspondiente no era la misma: los métodos de resolución de sistemas de
ecuaciones son siempre iguales, los métodos de medida de velocidades y
aceleraciones, presión, deformación, temperatura, etc., lo son asimismo,
independientemente del campo específico de su aplicación, si bien, de nuevo, las
particularidades y restricciones pueden conducir a limitaciones específicas. La
formación en metodologías, desde este punto de vista, de nuevo integral y basado
en aplicaciones reales, debe ser objeto de especial hincapié en la formación en
ingeniería.
Una de estas metodologías, singularmente importante, y muchas veces no
considerada suficientemente, se refiere a la evaluación económica de un proyecto,
producto o idea. No tiene sentido embarcarse en una investigación, desarrollo o
simple integración de tecnología si “no salen los números”, es decir, si la
rentabilidad obtenida es insuficiente para mantener su producción o para proceder a
su construcción y operación. Ejercicios de evaluación económica previa, junto a
procesos de toma de decisión en distintos puntos del desarrollo del proyecto han de
ser parte de una formación integral y moderna en ingeniería.
Para finalizar, no debemos olvidar las capacidades de trabajo duro y compromiso
con la empresa y con la sociedad. No vivimos solos y todo lo que hagamos será
insuficiente si no hay justicia, equidad, solidaridad y mejor futuro para las
generaciones venideras de todo el planeta. Un profesional debe contribuir a ello
desde su puesto de trabajo, fomentando la sostenibilidad, el consumo responsable
de recursos, el respeto por el trabajo de los que les precedieron, el apoyo a sus
compañeros presentes, y un compromiso con los puestos de trabajo de los futuros.
Para conseguir esta formación es especialmente importante la colaboración
estratégica, permanente y continua de la Universidad y la empresa como, por
ejemplo, la institucionalizada entre la Universidad Loyola de Andalucía y Abengoa
S.A. Es por ello que estoy seguro que estos principios que he enunciado brevemente
son los que informarán vuestra formación, por lo que, ya desde hoy, día en que para
muchos de vosotros comienza vuestra actividad universitaria, os auguro un futuro
lleno de éxitos y posibilidades, como es mi deseo.
Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 59
AGRADECIMIENTOS
“A teacher affects eternity; he can never tell where his influence stops”
[Henry Adams, 1918]
Para concluir, es de justicia reconocer y agradecer en este momento a todas
aquellas personas, colectivos e instituciones, que han sido partes esenciales de mi
vida personal y profesional.
Comenzando con el apartado de colectivos e instituciones quisiera empezar
agradeciendo a las Universidades de Sevilla, Politécnica de Madrid y Zaragoza en
las que he trabajado por su acogida y tratamiento durante los más de treinta y
cinco años que les he dedicado. También quisiera agradecer el apoyo y confianza
de las instituciones, grupos y personas que han posibilitado mi trabajo de
investigación, no solo financiándolo, sino sobre todo comprendiéndolo o
sustentándolo con sus conocimientos complementarios, datos imprescindibles,
críticas constructivas y, en definitiva, contribuyendo a su crecimiento. Finalmente,
quiero agradecer a la empresa Abengoa S.A, en la que actualmente desarrollo mi
trabajo por su confianza en mi persona, así como por el apoyo a las ideas que
subyacen en esta presentación y que, modestamente, he tratado de sembrar , si
bien es cierto que en suelo inicialmente fértil para su crecimiento y desarrollo.
Ahora, si me lo permiten, querría descender a un apartado más cercano, el de las
personas. Son muchas a las que por una u otra razón debo agradecer su amistad,
cariño y ejemplo. Todas y cada una ha tenido un papel esencial en mi vida y
aunque no es mi intención olvidar a ninguna, sé que lo haré por olvido
momentáneo o por limitaciones de espacio. Pido por ello perdón por anticipado a
los que merecen ser aquí citados pero no aparecen.
En primer lugar, a todos mis maestros, en particular a aquellos que fomentaron mi
vocación. Obviamente no es posible citar a cada uno de ellos, por lo que quiero
personalizarlos en quién considero mi maestro en el sentido más genuino y amplio
de la palabra, Enrique Alarcón, miembro distinguido de nuestra comunidad de
ingenieros e investigadora. De él, en el que posiblemente fue el periodo más
importante de mi formación profesional, no solo aprendí la importancia del rigor
en el planteamiento y la importancia de la utilidad práctica de la investigación,
sino que, y sobre todo, me contagió el gusto por el saber y me mostró, con su
ejemplo, el modelo de profesor universitario que iba a servirme de referente el
resto de mi vida.
No puedo olvidar en este punto a mis compañeros y por siempre amigos que me
han acompañado desde los principios en Sevilla y Madrid. Conviviendo o a
distancia, con ellos he compartido situaciones felices y complicadas, proyectos
comunes, discusiones inacabables y, sobre todo, una amistad cimentada sobre la
confianza, el respeto mutuo y mi admiración por todos ellos. Gracias, Antonio,
Agradecimientos 60
Jaime, Fede, Alfonso, Paco, Rafael y Pepón. A este último tengo que agradecerle
además el haber sido mi promotor, mentor y apoyo en esta última aventura de mi
vida profesional en Abengoa.
Por supuesto, un agradecimiento especial merecen todos los que han sido
miembros de mis grupos de investigación durante tantos años. Siempre lo digo
porque lo creo firmemente: son ellos los artífices reales de los pequeños logros
que hayamos podido conseguir como colectivo y, desde luego, los protagonistas
de muchos de los desarrollos y resultados que les he mostrado en esta
presentación. No puedo citarlos a todos personalmente, pero aún así, gracias,
Iñaqui, Luis, Javier, Mohamed y a todos los que han formado parte de mi círculo
más cercano de trabajo.
Por supuesto, no puedo finalizar, sin agradecer, de forma especialísima a mi
familia y amigos, especialmente a mi madre, recientemente fallecida, a mi esposa,
hijo, hermanos y amigos. Todos, en uno u otro tiempo, han sufrido mis ausencias
y desesperanzas momentáneas. Gracias especialmente a mi hijo Alberto por
cumplir con su obligación de hijo rebelde, sensible y exigente y recordármelo
continuamente, aunque le haya hecho mucho menos caso del que merecía. Gracias
también a mi esposa, Conchi. Soy consciente de que nada hubiese sido capaz de
hacer sin su apoyo y renuncia a muchas de sus propias metas personales. Es a
vosotros dos, más que a nadie, a quién debo los pequeños logros que haya podido
conseguir.
Finalmente, gracias a todos ustedes por su asistencia a este acto y por escuchar
amablemente este obligado, aunque espero que no demasiado exigente, suplicio.
Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 61
REFERENCIAS
1. Abramovitz, M. and David, P.A. Technological Change and the Rise of
Intangible Investments. The US Economy’s Growth-Path in the Twentieth
Century. in Employment and Growth in the Knowledge-Based Economy, Paris:
OCDE (1996)
2. Adams, H. The Education of Henry Adams, Houghton Mifflin, Boston, 1918
3. Ament, C. & Hofer E.P. A fuzzy logic model of fracture healing. J. Biomech.
33: 961-968 (2000)
4. Autumn, K. How gecko toes stick. Am. Sci. 94: 124-132 (2006)
5. Ávalos, I. La sociedad del conocimiento. Revista SIC. (1998)
6. Ayuso, J.M., Monge, R., Laouenan, F., Berganzo, J., Santolaria, J.,, Doblaré, M.
Ochoa, I. and Fernández, L.F.. Conference Paper: SU-8 Based Microfluidic
Devices For Three Dimensional Cell Culture. The European Chapter Meeting of
the Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society
(TERMIS-EU 2013), Estambul (Turkey); 06 (2013)
7. Bailón-Plaza A. y van der Meulen MCH. A mathematical framework to study
the effects of growth factor influences on fracture healing. J. Theor. Biol. 212:
191-209 (2001)
8. Bar-Cohen, Y. (ed.) Biomimetics: biologically inspired technologies. Boca
Raton, FL: Taylor&Francis (2006)
9. Barnes, W. J. P., Smith, J., Oines, C. &, R. 2002 Bionics and wet grip. Tire
Technol. Int., 56-60 (2002)
10. Barthlott, W. & Neinhuis, C. Purity of the sacred lotus, of escape from
contamination in biological surfaces. Planta 202: 1-8 (1997)
11. Baumann, M.; Sakoske, G.; Poth, L. & Tuenker, T. Learning from the lotus
flower— self-cleaning coatings on glass. In Proc. 8th Int. Glass Conf., Tampere,
Finland: 330-333 (2003)
12. Bechert, D. W., Bruse, M., Hage, W., van der Hoeven, J. G. T. & Hoppe, G.
Experiments on drag-reducing surfaces and their optimization with an adjustable
geometry. J. Fluid Mech. 338: 59-87 (1997)
13. Bershadsky, A.; Kozlov, M. & Geiger, B. Adhesion-mediated
mechanosensitivity: a time to experiment, and a time to theorize. Curr. Opin.
Cell Biol. 18: 472-481 (2006)
14. Bhushan, B. & Sayer, R. A. Surface characterization and friction of a bio-
inspired reversible adhesive tape. Microsyst. Technol. 13: 71-78 (2007)
15. Bhushan, B. Adhesion of multi-level hierarchical attachment systems in gecko
feet. J. Adhes. Sci. Technol. 21: 1213-1258 (2007)
16. Bhushan, B. Biomimetics: lessons from nature – an overview. Phil. Trans. R.
Soc. A 367:1445-1486 (2009)
17. Bynum, T.W., and Moor, J,H. (eds.) The Digital Phoenix. How Computers are
Changing Philosophy, Blackwell Publ. (1998)
18. Cairncross, F.C. The Death of Distance: How the Communications Revolution Is
Changing our Lives. Harvard Business Review Press (1997)
Referencias 62
19. Carter, D.R. & Beaupre, G.S. Skeletal Function and Form. Cambridge
University Press (2001)
20. Carter, D.R.; Blenman, P.R. & Beaupré, G.S. Correlations between mechanical
stress history and tissue differentiation in initial fracture healing, J. Orthop. Res.
6: 736-748 (1988)
21. Carter, D.R.; Fyhrie, D.P. & Whalen, R.T. Trabecular bone density and loading
history: regulation of tissue biology by mechanical energy. Journal of
Biomechanics 20: 785-795 (1987)
22. Chen, H.C. Bioreactors for tissue engineering. Biotechnol Lett 28:1415–1423
(2006)
23. Chen, X.; Dam, M.A.; Ono, K.; Mal.A.; Shen, H.; Nutt, S.R.; Sheran, K. &
Wuldl, F. A thermally re-mendable cross-linked polymeric material. Science.
295: 1698-1702 (2002)
24. Claes, L.; Augat, P.; Suger, G. & Wilke H.J. Influence of size and stability of the
osteotomy gap on the succes of fracture healing, J. Orthop. Res. 15(4): 577-584
(1997)
25. Clark, R. The molecular and cellular biology of wound repair. Springer Verlag
(1996)
26. Corominas, J. Breve diccionario etimológico de la lengua castellana, Gredos,
Madrid, 1973
27. Cotec Foundation. Tecnología e Innovación en España. Informe de la Fundación
Cotec para la Innovación tecnológica (2013)
28. Cowin S.C. On the strength anisotropy of bone and wood. ASME Journal of
Applied Mechanics 46: 832-838 (1979)
29. Cowin, S.C. & Moss, M.L. in Textbook of Tissue Engineering. Lanza, R.,
Langer, R., Chick, W. (eds.). Academic Press, 723-738 (2000)
30. Cowin, S.C. The false premise in Wolff’s law, in Bone Mechanics Handbook.
Cowin SC. (eds.) CRC Press, Chapter 31 (2001).
31. Craven, J.M. Cross-linked thermally reversible polymers produced from
condensation polymers with pendant furan groups cross-linked with malaimides.
US patent 3-3435003 (1966)
32. Cullinane, D.M. The role of osteocytes in bone regulation: mineral homeostasis
versus mechanoreception. J. Musculoskelet. Neuron Interact. 2: 242-244 (2002)
33. D'Arcy W. Thompson. On growth and form. Cambridge University (1942)
34. Doblaré, M. & García-Aznar, J.M. On the numerical modeling of growth,
differentiation and damage in structural living tissues. Arch. Comput. Meth.
Engng. 11: 1-45 (2005)
35. Doblaré, M.; García-Aznar, J.M. & Gómez-Benito, M.J.. Modelling bone tissue
fracture and healing: a review. Eng Fract Mech 71(13-14): 1809-1840 (2004)
36. Dougherty, N.W. N.W. Doughery Papers. University of Tennessee Libraries,
Special Collections (1955)
37. Dry, J.M. Matrix cracking, repair and filling using active and passive modes for
smart timed releases of internal chemicals. Smart Mater. Struct 3: 118-123
(1994)
Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 63
38. Einhorn, T.A. The cell and molecular biology of fracture healing, Clin. Orthop.
Rel. Res., 355: S7-S21 (1998)
39. Evans, C.H., Palmer, G.D., Pascher, A., Porter, R., Kwong, F.N., Gouze, E.,
Gouze, J.N., Liu, F., Steinert, A., Betz, O., Betz, V., Vrahas and M., Ghivizzani,
S.C. Facilitated endogenous repair: making tissue engineering simple, practical,
and economical. Tissue Eng. 13(8):1987-93 (2007)
40. Federle, W. Why are so many adhesive pads hairy? J. Exp. Biol. 209:2611-2621
(2006)
41. Fernando, G.F. Fibre optic sensor systems for monitoring composite structures.
Reinf. Plast., 49(11): 41-49 (2005)
42. Fish, F. E. Limits of nature and advances of technology: what does biomimetics
have to offer to aquatic robots? Appl. Bionics Biomech. 3: 49-60 (2006)
43. Foray, D. Science, Technology and the Market, World Social Science Report,
UNESCO Publishing, Elsevier (1999)
44. Fung, YC. Biomechanics. Mechanical properties of living tissues. Springer-
Verlag (1993)
45. Gao, L. & McCarthy, T.J. Artificial lotus leaf prepared using a 1945 patent and a
commercial textile. Langmuir, 22(14): 5998–6000 (2006)
46. García-Aznar, J.M.; Rueberg, T.; Doblaré, M. A bone remodelling model
coupling micro-damage growth and repair by 3D BMU-activity. Biomech Model
Mechanobiol. (2-3):147-67 (2005)
47. Gibbons, M., Limoges, C. Noworthy, H., Schwartzman, S., Scott, P. and Trow,
M. The New Production of Knowledge: The Dynamics of Science and Research
in contemporary societies. Sage Publ. (1994)
48. Gómez-Benito M.J., González-Torres L.A., Reina-Romo E., Grasa J., Seral B.,
García-Aznar J.M. Influence of high-frequency cyclical stimulation on the bone
fracture-healing process: mathematical and experimental models. Philos Trans A
Math Phys Eng Sci. 369:4278-94 (2011)
49. Gómez-Benito, M.J.; García-Aznar, J.M.; Kuiper, J.H. & Doblaré, M. Influence
of fracture gap size on the pattern of long bone healing: A computational study.
Journal of Theoretical Biology 235(1): 105-119 (2005)
50. Goodship, A.E.; Cunningham, J.L.; Oganov, V.; Darling, J.; Miles, A.W. and
Owen, G.W. Bone loss during long term space flight is prevented by the
application of a short term impulsive mechanical stimulus, Acta Astron., 43: 65-
75 (1998)
51. Gorb, S., Varenberg, M., Peressadko, A. & Tuma, J. Biomimetic mushroom-
shaped fibrillar adhesive microstructure. J. R. Soc. Interface 4: 271-275 (2007)
52. Gordon, J.E. The New Science of Strong Materials, or Why You Don't Fall
Through the Floor. 2nd Ed. London: Pelican-Penguin (1976)
53. Holtorf, H.L.; Jansen, J.A. & Mikos, A.G. Modulation of cell differentiation in
bone tissue engineering constructs cultured in a bioreactor. Adv Exp Med Biol
585: 225-241 (2006)
Referencias 64
54. Holzapfel, G.A.; Gasser, T.A. & Ogden R.W. A new constitutive framework for
arterial wall mechanics and a comparative study of material models. J.Elasticity,
61: 1-48 (2000).
55. Huiskes, R.; Ruimerman, R.; van Lenthe, G. H. & Janssen, J. D. Effects of
mechanical forces on maintenance and adaptation of form in trabecular bone.
Nature 405: 704-706 (2000)
56. Hunziker, E.B. Articular cartilage repair: basic science and clinical progress. A
review of the current status and prospects. Osteoarthritis and Cartilage 10: 432-
63 (2002)
57. Hutmacher, D.W. Scaffolds in tissue engineering bone and cartilage.
Biomaterials, 21: 2529-2543 (2000)
58. IMD World Competitiveness Rankings 2013. Institute for Management
Development Publ. (2013)
59. Jones, A.S.; Rule, J.D.; Moore, J.S.; Sottos, N.R. & White, S.R. Life extension
of self-healing polymers with rapidly growing fatigue cracks. J. Roy. Soc. Interf.
4: 395-403 (2007)
60. Jonkers H.M.. Self healing concrete: a biological approach. in Self Healing
Materials: An Alternative Approach to 20 Centuries of Materials Science.
Springer Series in Materials Science (2007)
61. Kaplan, R.S. and Norton, D.P. Mapas estratégicos. convirtiendo los activos
intangibles en resultados tangibles, Gestión 2000 (2004)
62. Kendig, M.W. & Buchheigt, R.T. Corrosion inhibition of aluminium and
aluminium alloys of soluble chromates, chromates coatings and chromates free-
coatings. Corrosion 59(5): 379-400, 2003
63. Klein-Nulend. J.; van der Plas, A.; Semeins, C.M.; Ajubi, N.E.:; Frangos, J.A.;
Nijweide, P.J. & Burger, E.H. Sensitivity of osteocytes to biomechanical stress
in vitro. FASEB J. 9: 441-445 (1995)
64. Koch, K., Bhushan, B. and Barthlott, W. Multifunctional surface structures of
plants: an inspiration for biomimetics. Prog. Mater. Sci. 54: 137-178 (2009)
65. Kuiper, J.H. et al., Local mechanical signals and tissue oxygen level can explain
callus formation and diferentiation patterns during bone healing, Proceeding of
the 7th Annual Conference of the European Orthopaedic Research Society,
Barcelona, 95 (1997)
66. Langer, R. and Vacanti, J.P.Tissue engineering. Science 260:920–926 (1993)
67. Lanza, R. Robert Lanza Interview By Deepak Chopra.
http://www.beliefnet.com/columnists/intentchopra/2010/06/robert-lanza-
interview-by-deep.html
68. Lumley, R. Self healing in aluminium alloys; in Self Healing Materials: An
Alternative Approach to 20 Centuries of Materials Science. Springer Series in
Materials Science (2007)
69. Macchiarini, P. Jungebluth, P., Go, T. , Asnaghi, A. Rees, L.E., Cogan, T.A.,
Dodson, A., Martorell, J. Bellini, S., Parnigotto, P.P., Dickinson, S.C.,
Hollander, A.P., Mantero, S., Conconi, M.T. and Birchall, M.A. Clinical
transplantation of a tissue-engineered airway. The Lancet 372,9655:2023-2030
(2008)
Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 65
70. Malone AM, Anderson CT, Tummala P, Kwon RY, Johnston TR, Stearns T, and
Jacobs CR. Primary cilia mediate mechanosensing in bone cells by a calcium-
independent mechanism. Proc Natl Acad Sci U S A 104(33): 13325-30 (2007)
71. Maloney, W.J.; Schmalzried, T. & Harris, W.H. Analysis of long-term cemented
total hip arthroplasty retrievals. Clinical Orthopaedic Related Research 405: 70-
78 (2002)
72. Malyshev, D.A., Dhami, K. Lavergne, T., Chen, T., Dai, N., Foster, J.M., Corrê,
I.R. and Romesberg,
F.E. A semi-synthetic organism with an expanded genetic
alphabet. Nature 509:385-314 (2014)
73. Manyika, J.; Chui, M.; Bughin, J.; Dobbs, R.; Bisson, P. Y Marrs, A. Disruptive
technologies: Advances that will transform life, business, and the global
economy. McKinsey Global Institute. Report, May (2013)
74. Marcus Aurelius, Meditations. Book III (161-180)
75. Meyers, M. A., Chen, P. Y., Lin, A. Y. M. & Seki, Y. Biological materials:
structure and mechanical properties. Prog. Mater. Sci. 53: 1-206 (2008)
76. Newman, J.H. The idea of a University. Notre Dame Univ. Press (1990) (first
published 1923)
77. Norris, P. Building Knowledge Societies: The renewal of democratic practices in
knowledge societies. In UNESCO World Report (2004)
78. O'Regan, B, and Grätzel, M. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-
sensitized colloidal TiO2 films. Nature 353 (6346): 737–740 (1991)
79. Ortega y Gasset, J. Meditación de la Técnica y otros ensayos sobre Ciencia y
Filosofía, Revista de Occidente, Alianza Editorial, Madrid, 1(982) (primera
edición Revista de Occidente, Madrid (1939)
80. Ottl, H.C.; Matthiesen, T.S.; Goh, S.K.; Black, L.D.; Kren, S.M.; Netoff, T.I. &
Taylor, D.A. Perfusion-decellularized matrix: using nature’s platform to
engineer a bioartificial heart. Nature Medicine 14, 213 - 221 (2008)
81. Ozawa, T., Sugawara, K. and Tsuruta, D. The discovery of epidermal tight
junctions. Experimental Dermatology 23(6):393–394 (2014)
82. Park, J.B. & Lakes, R.S., Biomaterials (3rd
ed.) Springer Verlag (2007)
83. Peña, E.; Martíınez, M.A.; Calvo, B. and Doblaré, M. On the Numerical
Treatment of Initial Strains in Biological Soft tissues. Int J Numer Meth Engng,
68: 836-860 (2006)
84. Peña, E.; Calvo, B.; Martínez, M.A. & Doblaré, M. An anisotropic visco-
hyperelastic model for ligaments at finite strains: Formulation and
computational aspects. Int J Solids Struct 44(3-4): 760-778 (2007)
85. Pérez-del Palomar, A. & Doblaré, M. On the numerical simulation of the
mechanical behaviour of articular cartilage. Int J Numer Meth Eng 67(9): 1244-
1271 (2006)
86. Riccardi, M.P.; Duminuco, P.; Tomasi, C. & Ferloni, P. Thermal, microcopic
and X-ray diffraction in some ancient mortars. Thermochimica Acta 321(1-2):
207-214 (1998)
87. Romei, F. Leonardo Da Vinci. The Oliver Press (2008)
Referencias 66
88. Sánchez-Moral; García-Guinea, J. &Luque, L. Carbonation kinetics in roman-
like lime mortars. Materiales de construcción 54(275): 23-37 (2004)
89. Shalak, R. and Fox, C.F. Preface. In: Tissue Engineering. R. Shalak and C. F.
Fox, eds. Alan R. Liss, New York. pp. 26-29 (1988)
90. Schmitt, O.H., Some Interesting and Useful Biomimetic Transforms.
Proceedings Third International Biophysics Congress, Boston, Mass., Aug. 29-
Sept.297 (1969)
91. Schumpeter, J.A. Capitalism, Socialism and Democracy. Taylor and Francis e-
Library (2003) (First published in 1943)
92. Silva, M. Ingeniería y Universidad. Sobre dos rememoraciones y un ámbito de
investigación pluridisciplinar. Lección inaugural del curso 2006-2007 de la
Universidad de Zaragoza (2006)
93. Sloof, W.G. Self healing in coatings at high temperatures. in Self Healing
Materials: An Alternative Approach to 20 Centuries of Materials Science.
Springer Series in Materials Science (2007)
94. Snow, C.P. The Two Cultures and the Scientific Revolution. Cambridge Univ.
Press (1959)
95. Tai, K.; Ulm, F.J. & Ortiz, C. Nanogranular origins of the strength of bone.
Nano Lett. 6: 2520-2525 (2006)
96. Toohey, K.S.; White, S.R.; Lewis, S.A.; Moore, J.S. & Sottos, N.S. Self healing
materials with microvascular networks. Nature materials 6(8): 581-585 (2007)
97. Vacanti, J.P. & Langer, R. Tissue engineering: the design and fabrication of
living replacement devices for surgical reconstruction and transplantation.
Lancet 354(Suppl 1):32–34 (1999)
98. Vallet-Regí, M. Current Trrends on Porous Inorganic Materials for Biomedical
Applications. Chem. Eng. J., 137: 1-3 (2008)
99. Van Benthem, R.A.T.M.; Ming, W. & de With, G. Self healing polymer
coatings. in Self Healing Materials: An Alternative Approach to 20 Centuries of
Materials Science. Springer Series in Materials Science (2007)
100. van der Zwaag S. Self Healing Materials: An Alternative Approach to 20
Centuries of Materials Science. Springer Series in Materials Science (2007).
101. Vats, A.; Tolley, N.S.; Polak, J.M. & Gough, J.E. Scaffolds and biomaterials for
tissue engineering: a review of clinical applications. J.E. Clin Otolaryngol Allied
Sci. 28(3):165-72 (2003)
102. Velcro, S. A. Improvements in or relating to a method and a device for
producing velvet type fabric. Switzerland Patent no. 721 338 (1955)
103. Verbogt, O.; Gibson, G.J. & Schaffer, M.B. Loss of osteocyte integrity in
association with microdamage and bone remodelling after fatigue in vivo. J.
Bone Miner. Res. 15: 60-67 (2000)
104. Vincent, J. F. V., Bogatyreva, O. A., Bogatyrev, N. R., Bowyer, A. & Pahl, A.K.
Biomimetics: its practice and theory. J. R. Soc. Interface 3: 471-482 (2006)
105. Vonnegut, K. Breakfast of Champions. Dell Publ. 2009 (first published 1973)
Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión sobre el ingeniero del siglo XXI 67
106. Vunjak-Novakovic G. The fundamentals of tissue engineering: scaffolds and
bioreactors. In: Tissue engineering of cartilage and bone. Novartis Foundation
Symposia. Novartis Foundation. New York: John Wiley & Sons 34–51 (2003)
107. Warnke, P.H.; Springer, I.N.G.; Wiltfang, J.; Acil, Y.; Eufinger, H.; Wehmoller,
M.; Russo, P.A.J.; Bolte, H.; Sherry, E.; Behrens, E. & Terheyden, H. Growth
and transplantation of a custom vascularised bone graft in a man. Lancet
364:766–770, 2004
108. Weiner, S. & Wagner, H.D. The material bone: structure mechanical function
relations. Annu. Rev. Mater. Sci. 28: 271-298 (1998)
109. Wells, R.G. The role of matrix stiffness in regulating cell behavior. Hepatology.
47: 1394-1400 (2008)
110. White, S.R.; Sottos, N.R. Geubelle, P.H.; Moore, J.S.; Kessler, M.R.; Sriram,
S.R.; broen, S.N. Viswanatham, N. Autonomic healing of polymer composites.
Nature 409: 794-797 (2001)
111. Wolff, J. Das Gesetz der inneren Transformation der Knochen bei
pathologischen Veränderungen der äusseren Knochenform. Sitzungsber Preuss.
Akad. Wisse 22: 475-496 (1884)
112. You, L.; Cowin, S.C.; Schaffer, M.B. & Weinbaum ,S. J. Biomechanics, 34:
1375-1386 (2001)
113. Zamir, E. & Geiger, B. Molecular complexity and dynamics of cell-matrix
adhesions, J. Cell Sci. 114: 3583–3590 (2001)
Top Related