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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.


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


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.


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.


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


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.


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.


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.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6c/Lei_de_moore_2006.png


Figura 5. Las 12 tecnologías más disruptivas para 2025 [Manyika, 2013]


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.


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


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”).


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.


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


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.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ef/VR-Helm.jpg


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.


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


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


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)


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.


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].


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


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.


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.


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


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.


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)).


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


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


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.


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.


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


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]


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


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].


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].


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].


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.


• 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


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


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].


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


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.


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.


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.


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


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.).


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.


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


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,


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.


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.


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Ingeniería Biomimética e Ingeniería Tisular. Reflexión ...³n-Inaugural... · que un mal...

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