Autor: SOLÓRZANO REQUEJO, William Gabriel

Título: Engineering design methodology for shape-morphing medical devices triggered by degradation

Fecha: 2025

Materia: ---

Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

Departamento: INGENIERIA MECANICA

Acceso electrónico: https://oa.upm.es/89884/

Director/a(s):

• Director/a: DÍAZ LANTADA, Andrés

Resumen: This thesis focuses on the development and validation of a methodology for the design and fabrication of 4D printed degradable actuators, capable of transforming through selective material degradation. The idea is to apply this concept to medical devices that can evolve with the patient, allowing certain parts of the structure to degrade programmatically while others remain functional. This would reduce the need for additional surgery, minimize post-operative risks and improve patient experience. The work is part of the European Commission-funded BIOMET4D project, which aims to develop a new generation of biodegradable implants with programmed activation for dynamic tissue repair. In this context, research has led to the development of resorbable actuators for reconstructive surgery, with specific applications in the treatment of craniosynostosis and skin expansion. A multidisciplinary approach combining mechanical engineering, materials science, additive manufacturing, and biomedicine has been adopted to achieve these goals. One of the main advances of the thesis has been the development of an ontology and a universal coding system for 4D actuators, which allows the classification and description of morphodynamic structures in a standardized way. A library of degradable actuators has also been designed and manufactured using polymers such as polyvinyl alcohol (PVA) and polyethylene terephthalate modified with glycol (PETG). In addition, multi-material additive manufacturing has been implemented through fused filament printing technologies, enabling the creation of devices with controlled degradation. Validation of these developments has required computational modelling to predict the mechanical response of the devices, complemented by mechanical and dissolution testing in the laboratory. As a result of these studies, functional medical applications have been developed, including bone expanders for craniosynostosis and tissue expanders for reconstructive surgery. The research outcomes demonstrate that it is possible to design degradable and evolvable medical devices that can programmatically transform based on the time and conditions of the patients biological environment. It has been experimentally validated that degradation can be used as an activation mechanism in 4D printing, opening up new possibilities for the development of smart implants, controlled drug delivery systems and temporary devices in reconstructive surgery. RESUMEN Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo y validación de una metodología para diseñar y fabricar actuadores degradables impresos en 4D, capaces de transformarse mediante la degradación selectiva de materiales. La idea es aplicar este concepto a dispositivos médicos que puedan evolucionar con el paciente, permitiendo que ciertas partes de la estructura se desintegren de manera programada mientras otras continúan funcionales. Esto reduciría la necesidad de cirugías adicionales, minimizando riesgos postoperatorios y mejorando la experiencia del paciente. El trabajo se desarrolla en el marco del proyecto BIOMET4D, financiado por la Comisión Europea, que busca crear una nueva generación de implantes biodegradables con activación programada para la restauración dinámica de tejidos. Dentro de este contexto, la investigación ha dado lugar al desarrollo de actuadores absorbibles para cirugía reconstructiva, con aplicaciones específicas en tratamientos para la craneosinostosis y expansión de piel. Para alcanzar estos objetivos, se ha adoptado un enfoque multidisciplinario que combina ingeniería mecánica, ciencia de materiales, fabricación aditiva y biomedicina. Uno de los principales avances de la tesis ha sido el desarrollo de una ontología y un sistema de codificación universal para actuadores 4D, lo que permite clasificar y describir estructuras morfodinámicas de manera estandarizada. También se ha diseñado y fabricado una librería de actuadores degradables utilizando polímeros como el alcohol polivinílico (PVA) y el tereftalato de polietileno modificado con glicol (PETG). Además, se ha implementado la fabricación aditiva multimaterial a través de tecnologías de impresión con filamento fundido, lo que ha permitido crear dispositivos con degradación programada. La validación de estos desarrollos ha requerido modelado computacional para predecir la respuesta mecánica de los dispositivos, complementadas con ensayos mecánicos y pruebas de disolución en laboratorio. Como resultado de estos estudios, se han desarrollado aplicaciones médicas funcionales, entre ellas expansores óseos para craneosinostosis y expansores tisulares para cirugía reconstructiva. Los hallazgos de la investigación demuestran que es posible diseñar dispositivos médicos degradables y evolutivos que puedan transformarse de manera programada en función del tiempo y de las condiciones del entorno biológico del paciente. Se ha validado experimentalmente que la degradación puede utilizarse como un mecanismo de activación en impresión 4D, lo que abre nuevas posibilidades para el desarrollo de implantes inteligentes, sistemas de liberación controlada de fármacos y dispositivos temporales en cirugía reconstructiva.