3D printing of hydrogels and thickened fluids for dysphagia managementin situ mixing and gelling

Resumen

Esta tesis se centra en el desarrollo de nuevas tecnologías para la impresión 3D de alimentos y, más específicamente, para alimentos con propiedades reológicas controladas para su uso como productos orientados a la disfagia. La primera parte de este trabajo tiene como objetivo desarrollar un sistema novedoso de impresión 3D para la obtención de hidrogeles. Se describe un procedimiento de gelificación in situ inducida por un cambio de temperatura para la impresión en 3D de dispersiones acuosas de κ-carragenato. La impresora 3D fue modificada para permitir la alimentación de fluidos de baja viscosidad y enfriar la capa impresa de forma más eficiente empleando un sistema de convección forzada. Las muestras de gel así obtenidas mostraron capacidad de sustentación de las capas impresas y una respuesta reológica comparable a la de un gel de referencia preparado convencionalmente. Además, se analizó el efecto de las principales variables de impresión, como la temperatura del hotend, la velocidad de impresión y la altura de la capa, en la respuesta viscoelástica lineal de los geles mediante la aplicación de la metodología de las superficies de respuesta (RSM). En general, la estructuración del gel aumenta linealmente al disminuir la velocidad de impresión y la altura de la capa. El aumento de la temperatura del hotend, hasta un valor máximo, también favorece la estructura de la red del gel. Sobre la base de los resultados obtenidos en este análisis, se propone un método de optimización para reducir al mínimo la temperatura y el tiempo necesarios para imprimir en 3D un gel con propiedades reológicas preestablecidas. En general, este estudio demuestra que es posible generar in situ materiales de gel impresos en 3D con posibles usos en alimentación y fármaco-nutrición, sin la ayuda de aditivos o iniciadores. Se ha diseñado y fabricado un dispositivo único adaptado a una impresora 3D que permite alimentar en continuo y mezclar in situ sólidos y líquidos para la producción de geles y fluidos espesados. En particular, se estudió la capacidad de este accesorio para mezclar correctamente un espesante en polvo comercial orientado a la disfagia con varios fluidos convencionales (agua, zumo y leche). Se definieron las concentraciones objetivo del espesante para lograr mezclas con viscosidades correspondientes a las texturas establecidas por el National Dysphagia Diet Task Force (NDD) —tipo néctar, miel y pudding— para los fluidos espesados. Se evaluó tanto la exactitud del contenido de sólidos como la respuesta reológica de las mezclas obtenidas. Aunque se observaron fluctuaciones en las concentraciones de las mezclas obtenidas por mezcla continua con respecto a los valores objetivo, las viscosidades obtenidas estaban dentro de los límites establecidos para cada una de las texturas deseadas. Los fluidos espesados procesados con el accesorio de mezcla para impresión en 3D mostraron viscosidades muy similares a las de sus homólogos mezclados a mano y un mayor grado de estructuración, especialmente cuando se imprimían a bajas velocidades, así como una menor cantidad de aire atrapado. En base a los resultados obtenidos, se pretende y se espera que estos métodos alternativos de preparación permitan la producción de geles y fluidos espesados con formas y colores más atractivos para el tratamiento de la disfagia a largo plazo, mejorando la calidad de vida de los pacientes con disfagia y promoviendo el cumplimiento del tratamiento.