11va Edición | JULIO 2023 | ISSN 2618-1894 | Artículos científicos
VÁLVULA VENTURI DE FLUJO VARIABLE PARA UTILIZACIÓN
EN MÁSCARAS DE OXÍGENO EN EL TRATAMIENTO DE
PACIENTES CON COVID-19.
Variable flow Venturi valve for use in Oxygen Masks in the
treatment of patients with COVID-19
Quinteros, Luciana
1
Melo, Melany
2
Taccone, Vera
3
Oviedo, Natalia
4
Montenegro, Sara
5
Ganiele, Maria Julieta
6
Artaza, Martina
7
Ludueña, Abril
8
Ciriani, Daniel
9
Anessi, Carolina
10
Arenal, María Victoria
11
Parodi, Belén
12
Bustamante, Paola
13
Ponzoni, Lucio
14
1
Grupo de investigación de Aerogeneradores y Materiales (AEROMAT)- Universidad Nacional de Tres de Febrero y Comisión
Nacional de Energía Atómica (CNEA), Argentina / lucianaquinteros1804@gmail.com
2
Grupo de investigación de Aerogeneradores y Materiales (AEROMAT)- Universidad Nacional de Tres de Febrero y Comisión
Nacional de Energía Atómica (CNEA), Argentina / melomelany1@gmail.com
3
Grupo de investigación de Aerogeneradores y Materiales (AEROMAT)- Universidad Nacional de Tres de Febrero y Comisión
Nacional de Energía Atómica (CNEA), Argentina / taccone46836@estudiantes.untref.edu.ar
4
Grupo de investigación de Aerogeneradores y Materiales (AEROMAT)- Universidad Nacional de Tres de Febrero y Comisión
Nacional de Energía Atómica (CNEA), Argentina / nat.oviedo.98@gmail.com
5
Grupo de investigación de Aerogeneradores y Materiales (AEROMAT)- Universidad Nacional de Tres de Febrero y Comisión
Nacional de Energía Atómica (CNEA), Argentina / saraorismontenegro@gmail.com
6 Grupo de investigación de Aerogeneradores y Materiales (AEROMAT)- Universidad Nacional de Tres de Febrero y Comisión
Nacional de Energía Atómica (CNEA), Argentina / mjganiele@gmail.com
7
Grupo de investigación de Aerogeneradores y Materiales (AEROMAT)- Universidad Nacional de Tres de Febrero y Comisión
Nacional de Energía Atómica (CNEA), Argentina / martina.artaza20@gmail.com
8
Grupo de investigación de Aerogeneradores y Materiales (AEROMAT)- Universidad Nacional de Tres de Febrero y Comisión
Nacional de Energía Atómica (CNEA), Argentina / abrilcande99@gmail.com
9
Departamento Caracterización y Fractomecánica, Centro Atómico Constituyentes, Argentina / ciriani@cnea.gov.ar
10
Departamento Procesos por Radiación y División Aplicaciones Biológicas- Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA),
Argentina / carolinaanessi@yahoo.com
11
Hospital del tórax A. Cetrangolo, Argentina/ mv.arenal@gmail.com
12
Departamento de Desempeño Mecánico de Productos de la Dirección Técnica de Evaluación de Materiales y Productos-
INTI, Argentina / belen@inti.gob.ar
13
Laboratorio de Biotecnología del Centro Atómico Ezeiza, Argentina.
14
Grupo de investigación de Aerogeneradores y Materiales (AEROMAT)- Universidad Nacional de Tres de Febrero y
Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), Argentina / lponzoni@untrefedu.ar
11va Edición | JULIO 2023 | ISSN 2618-1894 | Artículos científicos
Quinteros, L., Melo, M., Taccone, V., Oviedo, N., Montenegro, S., Ganiele, J., Artaza, M., Ludueña,
A., Ciriani, D., Anessi, C., Arenal, M. V., Parodi, B., Bustamante, P. y Ponzoni, L. (2023). Válvula
Venturi de flujo variable para utilización en Máscaras de Oxígeno en el tratamiento de
pacientes con COVID-19. Revista INNOVA, Revista argentina de Ciencia y Tecnología, 11.
RESUMEN
Entre los elementos esenciales para el tratamiento de pacientes con COVID-19, se encuentra
la Válvula Venturi que permite regular el suministro de oxígeno en fracciones mayores al 21%.
La concentración de cada gas en la mezcla oxígeno/aire, depende principalmente del tamaño
de las aberturas que permiten el ingreso de aire. Es por eso que, en este trabajo, se planteó
como objetivo general el desarrollo y fabricación de una Válvula Venturi de flujo variable
mediante impresión 3D. Siendo la válvula de flujo variable, logramos obtener una variación
en la fracción inspirada de oxígeno (FiO2 entre 24% y 60%) de forma simple. Además, se
fabrica de forma rápida y económica con la posibilidad de reproducirse en diferentes regiones
del país y capaz de ser esterilizable y sanitizable por métodos convencionales para su
reutilización. Se emplearon dos tipos de polímeros para la impresión, PLA y PET-G por su bajo
costo y simple utilización. Ambos materiales se encuentran aprobados por la Food and Drug
Administration (FDA) y se desarrollan a nivel nacional. Entre las ventajas principales del uso
de estos materiales están su biocompatibilidad y sus buenas propiedades mecánicas, lo que
permite utilizarlos en dispositivos médicos.
ABSTRACT
Among the essential elements for the treatment of patients with COVID-19 is the Venturi
Valve, that allows regulating the supply of oxygen in fractions greater than 21%. The
concentration of each substance in the oxygen/air mixture depends mainly on the size of the
openings that allow air to enter. That is why in this paper the general objective was the
development and manufacture of a Variable Flow Venturi Valve that can be manufactured
with 3D printing. Being the valve of variable flow, we managed to obtain a variation in the
inspired fraction of oxygen (FiO2 between 24% and 60%) in a simple way. In addition, it is
manufactured quickly and economically with the possibility of reproducing in different
regions of the country and capable of being sterilized and sanitized by conventional methods
for reuse. Two types of polymers were used for printing, PLA and PET-G due to their low cost
and ease of use. Both materials are approved by the Food and Drug Administration (FDA) and
are developed nationally. Among the main advantages of using these materials are their
biocompatibility and their good mechanical properties, which allow them to be used in
medical devices.
PALABRAS CLAVE Válvula Venturi / Flujo variable / Impresión 3D / COVID-19
KEY WORDS Venturi Valve / Variable Flow / 3D printing / COVID-19
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CONTEXTO
A partir del fenómeno mundial de la Pandemia a principios del año 2020, la Universidad
Nacional de Tres de Febrero (UNTREF) ha tenido una participación activa en el desarrollo de
soluciones para el tratamiento de pacientes infectados con el virus de COVID-19. En este
sentido, se conformó un grupo interdisciplinario ad-hoc constituido por investigadores del
grupo de Investigación y Desarrollo en Aerogeneradores y Materiales (AEROMAT),
pertenecientes UNTREF y de la Comisión Nacional de Energía Atómica(CNEA), en conjunto
con la colaboración de varias sociedades científicas médicas (Sociedad Argentina de
Cardiología, Asociación de Anestesia, Analgesia y Reanimación de Buenos Aires y el Colegio
Argentino de Cardiólogos Intervencionistas) con el objetivo de desarrollar dispositivos
médicos para el tratamiento de pacientes COVID-19.
Este nuevo grupo de investigación, comenzó a trabajar en el desarrollo y fabricación de
dispositivos médicos nacionales faltantes en el país y de gran necesidad para enfermos
COVID-19, como el desarrollo de una válvula Venturi para pacientes con tensión arterial de
oxígeno por debajo de lo normal para su edad (hipoxemia), un videolaringoscopio para la
intubación de pacientes y una aerosol box para reducir el contagio por el contacto entre
pacientes infectados con el personal de salud. Estos desarrollos fueron pensados para ser
fabricados con tecnologías de impresión 3D y con materiales biodegradables, o reciclables,
aprobados por la FDA (Food and Drug Administration) de los Estados Unidos.
En particular, la válvula Venturi fue presentada como proyecto en el “Programa de
articulación y fortalecimiento federal de las capacidades en ciencia y tecnología COVID-19”
del MINCyT (Ministerio de Ciencia y Tecnología), enmarcado al desarrollo de dispositivos para
el tratamiento de pacientes COVID-19, siendo seleccionado como uno de los proyectos
prioritarios, y obteniendo financiamiento de este ministerio para avanzar con su investigación
bajo la dirección del Dr. Lucio Ponzoni, con número de resolución de adjudicación RESOL-
2020-170-APN-MCT.
Por otro lado, el grupo de investigación cuenta con un becario de grado del CIN (Consejo
Interuniversitario Nacional) y un becario posdoctoral del CONICET, para trabajar
particularmente en el uso de nuevos materiales con tecnologías de Impresión 3D en el
desarrollo de una válvula de oxígeno en pacientes con síntomas de hipoxia.
Además, a partir de un convenio de cooperación, se encuentra colaborando en el proyecto la
compañía nacional ADOX S.A, que trabaja bajo normas ISO (International Organization for
Standardization) y cuenta con la aprobación y aval de ANMAT (Administración Nacional de
Medicamentos, Alimentos y Tecnología Médica). En el área de salud, ADOX trabaja con
insumos para la prevención y control de infecciones intrahospitalarias, insumos y accesorios
para el lavado de manos en el sector hospitalario, equipamientos para anestesia, bombas de
infusión y respiradores de anestesia, entre otros. En este proyecto en particular, ADOX es
quien se encarga de la Sanitización y Envasado de las válvulas.
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INTRODUCCIÓN
La infección por coronavirus COVID-19 es una enfermedad respiratoria aguda surgida a finales
del año 2019. El número de casos en el mundo aumenta progresivamente y al día de hoy, y
de acuerdo con la información brindada por “Our World in Data” de la Universidad de Oxford
(University of Oxford, s/f), se han registrado aproximadamente 541 millones de casos
confirmados en el mundo y 6,32 millones de muertes.
Según la OPS (Organización Panamericana de la Salud), en Latinoamérica se llevan registrados
un total de 154 millones de pacientes confirmados como positivos en COVID-19 y 2,7 millones
de muertos (Organización Panamericana de la Salud, 2022).
En el caso puntual de nuestro país, los valores son de aproximadamente 9 millones de
pacientes contagiados y 129 mil muertes (Organización Panamericana de la Salud, 2022).
Desde el inicio de esta pandemia, se han registrado en Argentina, cuatro picos de contagio,
con una gran variabilidad en el número de fallecidos por semana. Esto se debe, entre otras
cosas, a la disponibilidad de camas en terapia intensiva y a la aplicación de la vacuna contra
el virus SARS-COV 2 (Causante de la enfermedad COVID-19) aplicada en dosis a partir de los
inicios del año 2021.
Figura 1: Fallecidos por semana epidemiológica desde marzo 2020
hasta mayo 2022.
Fuente: Información epidemiológica (Ministerio de Salud, 2022)
Aproximadamente el 15% de los pacientes infectados con COVID-19 presenta formas de
mayor gravedad que requieren de un manejo intensivo y un 5% presenta cuadros de
insuficiencia respiratoria que requieren de un manejo crítico. La oxigenoterapia es
recomendada por la Organización Mundial de la Salud (OMS) y los Centros para el Control y
la Prevención de Enfermedades (CDC) como terapia de primera línea para tratar la
insuficiencia respiratoria aguda inducida por COVID-19. El objetivo del tratamiento debe ser
el mantenimiento de la saturación de oxígeno 90%.
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Existe una serie de opciones de oxigenoterapia no invasivas con el objetivo de reducir el
número de pacientes gravemente enfermos que requieren intubación, ventilación mecánica,
y admisión en la unidad de cuidados intensivos (UCI) (Whittle et al, 2020).
Es por eso que, entre los elementos esenciales de asistencia respiratoria para los infectados
del COVID-19, se encuentra la máscara de oxígeno (Figura2) que permite suministrar oxígeno
al paciente en fracciones mayores al 21% de oxigenación.
Figura2. Máscara de oxígeno con sus componentes.
Fuente: Miller (2003)
El oxígeno entra en la mascarilla a través de un orificio más estrecho, lo que crea un efecto
Venturi que, merced a unas aperturas laterales en la conducción entre la zona de la estrechez
y la mascarilla, arrastra aire ambiente hacia el interior de ésta. Según el diámetro del orificio
y el flujo de oxígeno procedente de la fuente varía la intensidad del efecto, de forma que,
para un orificio de un diámetro dado, el efecto Venturi crece con el flujo hasta un punto a
partir del cual se mantiene constante y, por tanto, con este orificio cuando usamos ese flujo
crítico o más conseguimos un flujo mezcla final con una FiO2 constante (Bugarín Gonzáles y
Martínez Rodríguez, 2000).
Por otro lado, es importante mencionar que en la última década se han producido múltiples
avances tecnológicos en medicina, muchos de los cuales están relacionados con el uso de
impresoras 3D y nuevos materiales. La impresión 3D, como herramienta en la industria
médica, está generando una serie de cambios significativos en la historia. La experimentación
con esta tecnología en el campo de la medicina no es para nada reciente, sino que se remonta
a 1999 con el primer órgano impreso en 3D. Tras este primer acercamiento, ha habido
muchos más casos exitosos, como la creación en 2002 del primer riñón 3D en funcionamiento,
la fabricación en masa de células y vasos sanguíneos o la impresión de prótesis útiles y
adaptables completamente al paciente (Marcos, 2013).
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En la actualidad, esta tecnología se está convirtiendo en algo novedoso, necesario y una
opción viable para la fabricación de dispositivos médicos a medida, tales como prótesis de
rodilla, órtesis, implantes de cadera, órganos, todo orientado a mejorar la calidad de vida de
las personas. La impresión 3D promete ofrecer diversas aplicaciones; como la personalización
según el paciente, la flexibilidad en el diseño y la fabricación de nuevos dispositivos para el
tratamiento de enfermos, además de la disminución de desperdicio en el material y los bajos
costos en el ciclo de vida del producto (Bucco, 2016).
El desarrollo de dispositivos médicos con tecnologías de impresión 3D implica un proceso que
se puede resumir en tres fases: 1) la toma de datos 2) el procesamiento de datos, y 3) el
modelado con paquetes computacionales de diseño hasta llegar a la impresión 3D (Segnini,
Vergara y Provenzano, 2017).
Figura 3: Avances de la impresión 3D en la industria médica. Extraído de: Prospectiva para
el diseño y fabricación de una órtesis impresa en 3D.
Fuente: Rodriguez Gacio et al. (2021)
En particular en nuestro país, la impresión 3D está comenzando a ganar terreno en la
medicina. Pueden citarse casos como la impresión 3D de un modelo sólido que simula los
grandes vasos intracraneales, nervios ópticos y su relación con una lesión tumoral en el
Nordeste del país (Rodriguez Gacio et al., 2021) o un caso del Departamento de Bioingeniería
– Gabinete de Tecnologías Médicas de la Universidad Nacional de Tucumán en 2017, donde
se imprimieron biomodelos de vértebras en ABS y PLA (López, 2018).
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Por otro lado, la directora de la Evaluación e Investigación de Productos No clasificados y/o
Innovadores de ANMAT, dijo en una nota al medio de comunicaciones Telemedicina - Salud
En Línea que “estamos participando de un documento para armonizar las regulaciones a nivel
mundial sobre productos médicos personalizados, y estimamos que se presentará junto con
el resto de los países en septiembre en el IMDRF. Las definiciones que surjan permitirán dar
forma a la guía de la industria de productos de impresión 3D en la que estamos trabajando”
(Telemedicina- Salud en Línea, 2019).
La crisis sanitaria mundial generada por la pandemia de COVID-19, trajo consigo otra
consecuencia, la enorme generación de residuos hospitalarios. Es por eso que uno de los
grandes desafíos de los sistemas de salud de cada país fue y es, la gestión integral de este tipo
de residuos.
En nuestro país, la gestión de los residuos patogénicos está regulada por la Ley Nacional
24.051 de Residuos peligrosos. Por otro lado, la Ciudad autónoma de Buenos Aires cuenta
con la Ley 154 de Residuos Patogénicos y la Provincia de Buenos Aires regula mediante la Ley
11.347 de Residuos Patogénicos, además de decretos y resoluciones complementarios.
Por otro lado, es importante destacar que los desechos plásticos constituyen un problema
ambiental a nivel global, pues, se acumulan en los ecosistemas y en los organismos a través
de las cadenas tróficas, bajo la forma de microplásticos y macroplásticos. Además, pueden
permanecer durante mucho tiempo estables hasta ser degradados a formas más simples
(monómeros), que finalmente son mineralizadas. Sin embargo, el impacto de la pandemia de
la enfermedad COVID-19 ha generado el efecto contrario, un incremento en el uso
generalizado de productos descartables plásticos, como envases de alimentos y dispositivos
médicos como mascarillas, guantes, trajes de protección, entre otros, tanto de origen
hospitalario como doméstico (Flores, 2020).
Figura 4: Uso del plástico en la UE durante la pandemia por COVID-19.
Fuente: Flores (2020)
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Dos de los métodos más utilizados para el tratamiento de estos residuos plásticos
hospitalarios son la incineración y la pirólisis. Estos métodos son los que más se aplican en el
tratamiento de plásticos no biodegradables, lo que genera gases de efecto invernadero y
otras sustancias tóxicas como los PCBs, dioxinas, furanos y eliminación de metales pesados a
la atmósfera (Flores, 2020).
La fabricación de una válvula Venturi realizada con materiales biodegradables reducirá el
impacto ambiental de estos dispositivos médicos de alta necesidad, a la vez que satisface las
necesidades de los pacientes de igual manera que una válvula Venturi tradicional realizada
con plásticos no biodegradables.
OBJETIVOS
El objetivo general de este trabajo es diseñar y fabricar una válvula Venturi de flujo variable
impresa con tecnología 3D, para su utilización en respiradores de centros de salud del país,
en pacientes con síntomas de hipoxia.
Los objetivos específicos son:
● Diseñar una válvula Venturi de flujo variable para su uso en respiradores.
● Modelar la válvula en SolidWorks®.
● Seleccionar el material de impresión de la válvula. El mismo, será un material
biodegradable de bajo impacto ambiental.
● Imprimir la válvula con tecnología 3D en dos materiales: PLA (ácido poliláctico) y PET-
G (politereftalato de etileno modificado con glicol).
● Verificar las simulaciones realizadas en túnel de viento.
● Probar el funcionamiento de la válvula en distintas fracciones de oxígeno (FiO2)
METODOLOGÍA
De acuerdo a los síntomas del paciente tratado, la concentración de oxígeno en aire
suministrado al mismo puede variar entre 24% y 60%, rango conocido como Fracción de
Oxígeno Inspirado “FiO2”. Una de las formas más empleadas para variar el parámetro FiO2,
es mediante una válvula Venturi que se encuentra conectada con la manguera que suministra
oxígeno a la máscara de respiración del paciente. El mecanismo de regulación del flujo de
oxígeno, es mediante aperturas laterales que aumentan o reducen el paso del aire
atmosférico por la válvula y se mezcla con el oxígeno puro mediante un efecto Venturi.
El efecto Venturi ocurre cuando un fluido (en este caso oxígeno) circula por un conducto que
en su recorrido presenta una disminución de sección, la velocidad de circulación del flujo en
la contracción aumenta y su presión disminuye. Si en ese punto del conducto se introduce el
extremo de otro tubo por donde circula aire, el primer fluido (con menor presión y por efecto
de arrastre) succionará al segundo, finalizando ambos mezclados y circulando por el conducto
ampliado.
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Figura 5: Efecto Venturi generado por la aceleración del flujo de oxígeno, generando una
depresión en la vena contracta.
Fuente: Adcock y Dawson (2007)
Si bien existen varios modelos de Válvulas de Venturi (Figura 6), cada color representa un FiO2
diferente (Tabla 1), las mismas varían en su forma de regular el flujo mediante las distintas
configuraciones de aperturas laterales que aumentan o reducen el paso del aire atmosférico
por la válvula.
En consecuencia, para cada FiO2, se requiere una válvula de diferente graduación.
Figura 6. Diferentes tipos de válvulas Venturi, con regulación de FiO2 de 24% a
60%.
Fuente: Reddy (2015)
Tabla 1. Código de colores, valores de FiO2 y flujo de oxígeno de las diferentes válvulas.
Fuente: Reddy (2015)
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En el último tiempo, se han desarrollado algunos modelos de válvulas de apertura variable,
que permiten regular el flujo de aire atmosférico que ingresa y en consecuencia el FiO2, pero
esta tecnología aún no se encuentra aplicada en el país por el alto costo.
La falta de válvulas en el último tiempo debido a la pandemia, considerada en la lista de
Dispositivos Médicos Prioritarios en el contexto del COVID-19 por la Organización Mundial de
la Salud y Organización Panamericana de la Salud, ha hecho que la válvula Venturi se haya
transformado en un elemento crítico para el tratamiento de los pacientes con COVID-19 en
los hospitales y centros de salud a nivel mundial (Organización Panamericana de la Salud,
2020).
Desde el grupo interdisciplinario "Desarrollo de dispositivos médicos empleando tecnologías
de impresión 3D y nuevos materiales." formado por docentes e investigadores de la
Universidad Nacional de Tres de Febrero en conjunto con investigadores de la Comisión
Nacional de Energía Atómica y la colaboración de varias sociedades científicas médicas
(Sociedad Argentina de Cardiología, Asociación de Anestesia, Analgesia y Reanimación de
Buenos Aires y el Colegio Argentino de Cardiólogos Intervencionistas) se ha trabajado en el
desarrollo de una Válvula Venturi de flujo variable impresa con tecnología 3D utilizando
materiales biodegradables, a fin de abastecer las necesidades de los hospitales y centros de
salud de la Argentina.
Figura 7: Modelo del prototipo de válvula Venturi de flujo variable, fabricado en el
laboratorio de Perfil Alar- Gerencia de Materiales-Comisión Nacional de Energía
Atómica-Universidad Nacional de Tres de Febrero.
Para el diseño y modelado de la Válvula Venturi de flujo variable, se utilizó el programa
SolidWorks®.
Como puede observarse en la Figura 8, la válvula Venturi diseñada cuenta con dos partes: un
cuerpo y un capuchón. Ambas partes son fundamentales y es necesario que funcionen en
conjunto y encastren perfectamente entre sí. El cuerpo y el capuchón deben ser impresos por
separado y es parte del control de la fabricación de la válvula que ambas partes se
complementen correctamente.
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En el cuerpo se produce la mezcla de aire/oxígeno deseada por el personal de la salud. En
cada extremo de la válvula hay un orificio. El orificio del extremo del cuerpo tiene un diámetro
de 25 mm y se debe conectar a una mascarilla de alto flujo para permitir el ingreso de oxígeno
medicinal al paciente. El orificio del extremo del capuchón es de 6,7 mm de diámetro y se
conecta al suministro de oxígeno medicinal al 100%.
Figura 8: Modelo de la válvula realizado en SolidWorks®.
Al ser una válvula de flujo variable, la concentración de oxígeno en la mezcla de gases se
regula girando el capuchón hasta la concentración deseada, sin necesidad de cambiar la
válvula como se hace cuando la misma posee un flujo fijo.
Las etapas de ensamblaje de la válvula Venturi realizada pueden observarse en la Figura 9.
Figura 9: Proceso de ensamblaje de la válvula.
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Una vez finalizado el diseño y modelado, se utilizó SolidWorks® y sus complementos de
simulación Flow Simulation® y CosmosWorks® para analizar el comportamiento
fluidodinámico del oxígeno al ingresar a la válvula.
Por un lado, se observó el correcto funcionamiento del efecto Venturi generado en la
contracción de la válvula y por el otro, pudieron observarse las líneas de corriente del fluido
dentro de la misma.
Figura 10: Visualización de las líneas de corriente de una sección de válvula Venturi de
flujo variable, simulada por volúmenes finitos en el laboratorio Perfil Alar-Gerencia de
Materiales-Comisión Nacional de Energía Atómica- Universidad Nacional de Tres de
Febrero.
Figura 11: Visualización de media sección de Válvula Venturi, simulada por volúmenes
finitos en el Laboratorio de Perfil Alar- Universidad Nacional de Tres de Febrero/Comisión
Nacional de Energía Atómica.
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La fabricación se hizo en dos tipos de impresoras nacionales, Marca 3dfab10 y Kuttercraft
PK3, y usando el software Ultimaker Cura de licencia libre para generar el código de
impresión. Los tiempos promedios de fabricación de cada modelo fueron de 2 horas
aproximadamente, con una calidad de impresión superficial de 0,12 mm y un infill de 25 %.
Se emplearon dos tipos de polímeros para la impresión, Ácido Poliláctico (PLA) y
politereftalato de etileno modificado con glicol (PET-G), ambos materiales usados
ampliamente en la impresión 3D por su bajo costo y fácil empleo, uno de ellos de uso
descartable y biodegradable, para que se pueda imprimir en el lugar de necesidad, y otro para
ser reutilizado luego de ser sanitizado. Ambos materiales se encuentran aprobados por la
Food and Drug Administration (FDA) de los EEUU y existen empresas nacionales fabricantes
de bobinas de estos materiales. Las bobinas empleadas fueron de la marca Printalot® de
fabricación nacional.
De acuerdo con su hoja de datos de seguridad, el Ácido Poliláctico (PLA) posee una densidad
de 1.24 g/cm³ y una temperatura de impresión de entre 190 y 220°C. Por otro lado, posee un
muy bajo nivel de toxicidad, pero podrían liberarse sustancias potencialmente irritantes de
las mucosas si se sobrecalentara durante el proceso. A su vez, el material es inherentemente
biodegradable y no bioacumulable. Por último, es importante destacar que, de acuerdo a los
proveedores, este filamento posee ciertas restricciones referidas a aplicaciones médicas. No
se recomienda el uso de este producto: (A) en aplicaciones que estén o puedan estar en
contacto con fluidos corporales o tejidos humanos (B) como componentes críticos en
cualquier aparato médico de soporte de vida, y (C) en mujeres embarazadas o cualquier
aplicación diseñada específicamente para promover o interferir en la reproducción humana.
15
Figura 12: Modelos de prototipos de Válvula Venturi de flujo variable fabricados en el
laboratorio de Perfil Alar- Universidad Nacional de Tres de Febrero/Comisión Nacional de
Energía Atómica.
15
Print a lot. Hoja de datos de seguridad, filamento PLA (2016). Disponible en línea en:
http://www.printalot.com.ar/MSDS/MSDS-PLA.pdf
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En cuanto al Politereftalato de etileno modificado con glicol (PET-G), la hoja de datos técnicos
indica que se trata de un copoliéster transparente y fuerte. Su adherencia entre capas es
excelente, no libera olores desagradables, no es tóxico, es resistente a ácidos y bases y,
además, es reciclable. Posee una densidad de 1,27 g/cm³ y una temperatura recomendada
de impresión de 240-250°C para el pico y de 80-90°C para la cama.
16
Entre las principales ventajas de uso de estos materiales están su biocompatibilidad y sus
buenas propiedades mecánicas (Petersmann et. al., 2020) que lo hacen en muchas ocasiones
empleables para su uso en aplicaciones médicas, siendo en particular, el PLA biodegradable
(Nofar et. al., 2019)
Cabe resaltar, que el desarrollo de la válvula mediante impresión 3D con un material
biodegradable y económico, como puede ser el PLA, permitirá dar reproducibilidad de la
válvula en otras regiones del país, sin necesidad de que se tenga que fabricar en una región
específica, eliminando los tiempos asociados al transporte y distribución de las válvulas tan
urgentes en la pandemia y cuidando al ambiente.
Las buenas propiedades mecánicas y su característica de material biodegradable, harían al
uso del material PLA como primer candidato para la fabricación de las Válvulas Venturi. Una
segunda opción, sería la fabricación con PET-G que es un material radio resistente lo que
permite su esterilización por radiación y su sanitización mediante el uso de óxido de etileno
(OE) o aminas cuaternarias para su reutilización. Cabe destacar que ambas metodologías son
ampliamente utilizadas en los centros de salud. De acuerdo al documento de la Organización
Mundial de la Salud, COVID-19 V4, las Válvulas Venturi no requieren un proceso de
esterilización luego de su fabricación y son de simple uso (World Health Organization, 2020).
De igual modo, dado que las válvulas serán fabricadas fuera de la clásica sala blanca de
procesamiento de un dispositivo médico, y para minimizar cualquier riesgo que esto pudiera
ocasionar, se contempló la esterilización por radiación luego del proceso de impresión y
envasado, lo que se llama esterilización final.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los primeros prototipos impresos de manera satisfactoria fueron probados en forma
exhaustiva en simuladores médicos a fin de analizar la eficacia de su uso, junto con la
realización de ensayos mecánicos y biológicos en probetas de ambos materiales.
Se realizaron ensayos mecánicos de tracción bajo norma ASTM 638. en probetas impresas
con tecnología 3D de polietileno tereftalato glicólico (PETG) que fueron sometidos a
envejecimiento acelerado por un periodo equivalente a 3 meses. En estos se determinaron
las siguientes características:
• Módulo de elasticidad
• Resistencia a la tracción
• Resistencia máxima
16
Print a lot. Hoja de datos técnicos, filamento PETg (2017). Disponible en línea en:
http://www.printalot.com.ar/TDS/TDS-PETg.pdf
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Figura 13: Probetas impresas.
Los resultados del ensayo se muestran en la tabla 2.
Tabla 2: Parámetros obtenidos del ensayo de tracción
Probeta
Módulo de
Elasticidad (Mpa)
Resistencia Tracción
(Mpa)
Resistencia Máxima
(Mpa)
LB01
1255,6
15,84
21,85
LB02
1448,79
19,05
25,22
LB03
1357,23
18,86
25,51
LB04
1288,41
18,03
23,74
LB05
1692,23
15,34
24,30
LB06
1656,31
24,50
32,27
LB07
1280,29
17,13
23,86
LB08
1323,2
18,33
23,55
LB09
1533,63
22,14
29,97
LB10
1535,27
23,03
30,22
Promedio
1437,10
19,23
26,05
Desvío
Estándar
160,29
3,06
3,49
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Figura 14: Ensayos de tracción realizados.
A partir de los ensayos de tracción se obtuvieron los resultados expuestos en la figura 15.
Figura 15: Ejemplo de las curvas resultantes de dos de los ensayos de tracción.
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En función de los resultados mostrados se puede concluir que las características mecánicas
de las probetas de PETG impresas mediante tecnología 3D se asemejan al material ABS
moldeado por inyección el cual es una de las variantes usadas como materia prima para la
fabricación comercial de las válvulas comerciales.
Otro de los ensayos realizados fue el de caracterización química y térmica de polímeros por
el método de Espectrometría infrarroja por transformada de Fourier (FTIR). La técnica de FT-
IR consiste en hacer incidir un haz IR a través de la muestra y, por medio de un detector,
analizar en qué frecuencias se produce absorción de energía. Las bandas de absorción
observadas en un espectro infrarrojo de un compuesto corresponden a las frecuencias de
vibración de los enlaces entre los átomos de la molécula. Como cada molécula es una
combinación única de átomos y enlaces, el espectro infrarrojo es una identificación de cada
compuesto (Faraldos y Goberna, 2003).
Como resultados, se obtuvo que no se observaron diferencias significativas entre ambos
espectros de PETG, evidenciando que el material no sufre ninguna modificación química
debido al contacto con el glutaraldehído.
Figura 16: Resultados del ensayo de Espectrometría infrarroja por transformada de
Fourier.
Todos los ensayos realizados arrojaron resultados positivos y permitieron avanzar con la
elaboración de las válvulas.
Una vez fabricada la válvula se realizaron ensayos en un micro túnel de viento, donde se
analizó la velocidad de flujo de ingreso de la mezcla aire oxígeno en la Válvula Venturi y el
rendimiento del mismo analizando las líneas de corriente para diferentes flujos. Para ello se
midieron las fuerzas de arrastre y la caída de presión en la vena contracta.
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Figura 17: Ensayos de biocompatibilidad.
Figura 18: Túnel de viento utilizado para las simulaciones.
Los parámetros básicos de la sección de prueba fueron, la velocidad de 7.106 m/s, la presión
101294.43 Pa y la viscosidad dinámica 1.8145e-05 Pa.s. La sección útil, es decir el área que
pueden ocupar los modelos a ensayar, posee un diámetro aproximado de 180 mm desde el
centro.
Los resultados indicaron que se cumple con los requerimientos de aire oxígeno establecidos
por las normas nacionales e internacionales, es decir con los parámetros estipulados para la
fracción inspirada de oxígeno de entre 24 y 60%.
Los resultados obtenidos fueron muy importantes, ya que la válvula se encuentra en proceso
de aprobación de ANMAT.
Por otro lado, se obtuvo que el proceso óptimo de fabricación de la válvula es el desarrollado
en las Tablas 3 y 4.
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Tabla 3: Proceso de fabricación del cuerpo de la válvula.
Fabricación del cuerpo de la válvula.
Descripción
Encendido de la impresora 3D.
Selección del material y registro del lote.
Secado de la bobina en estufa.
Registro de medición de humedad y temperatura ambiental en la cámara de impresión. Rango
de trabajo Hr % (30-50), Temperatura °C (5-30).
Limpieza de sector de impresión y cama de impresión de vidrio con paño de microfibra húmedo
con agua destilada.
Configuración de seteo de parámetros de impresión (máximo 4 cuerpos por cama de
210x210mm): Velocidad de impresión, Velocidad de Retracción, Temperatura de Cama,
Temperatura del Extrusor, Diámetro de extrusor, Relleno, Geometría de Relleno, Tipo de relleno,
Espesor de capa.
Control de adhesión de la primera capa de impresión.
Control visual de impresión (30 min. de proceso).
Finalización de impresión y control visual de la válvula.
Despegue de piezas por enfriamiento (con rocío de agua).
Control de medidas con patrón.
Control de parámetros de impresión.
Limpieza de cama de impresión con alcohol
Reinicio del proceso.
Tabla 4: Proceso de fabricación del capuchón de la válvula.
Fabricación del capuchón de la válvula.
Descripción
Encendido de la Impresora.
Selección de Material.
Secado de la bobina en estufa.
Medición de Humedad y Temperatura ambiental en la cámara de impresión.
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Limpieza de sector de impresión y cama de impresión de vidrio con alcohol
Configuración de seteo de parámetros de impresión (máximos 12 capuchones por cama de
210x210 mm)
Control de adhesión de primera capa de impresión
Control visual de impresión (10 min de proceso)
Finalización de impresión y control visual
Despegue de piezas por enfriamiento (uso de rocío de agua)
Control de parámetros de impresión.
Limpieza de cama de impresión con alcohol
Reinicio del proceso
Para el armado de la válvula se estipularon 5 pasos necesarios, presentes en la Tabla 5:
Tabla 5: Armado de la válvula Venturi.
Armado de la válvula.
Paso
Descripción
1
Recorte de sobrantes de material en el cuerpo y capuchón.
2
Presentación y armado (2 veces) de la válvula en forma manual y ajuste de ambas piezas.
3
Contraste con patrón de medida para que las medidas se correspondan tanto con la manguera
de oxígeno como con la mascarilla.
4
Guardado en bolsa plástica para su transporte.
5
Entrega en ADOX S.A.
Tanto la sanitización como el envasado de las válvulas están a cargo y son responsabilidad de
la compañía ADOX S.A.
Una vez que las válvulas sean aprobadas por la ANMAT y puedan ser distribuidas y utilizadas
en los centros de salud de nuestro país, se espera que su utilización siga el proceso descrito
en la Tabla 6:
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Tabla 6: Utilización de la válvula Venturi en los centros de salud.
Utilización de la válvula Venturi de flujo variable en centros de salud.
Paso
Descripción
1
Extraer el producto de su envase y acoplar al circuito respiratorio.
2
Conectar el cuerpo de la válvula por el extremo de 25 mm de diámetro a la mascarilla facial y
acoplar el conector del capuchón que tiene un diámetro de 6,7 mm a la manguera de suministro
de oxígeno al 100%.
3
Ajustar el capuchón de la válvula Venturi según la mezcla aire/oxígeno indicada por el
profesional de la salud. (De 24 a 60%)
4
Comprobar la efectividad del sistema, realizar de forma constante la medición de la saturación
de oxígeno.
5
A fin de lograr una buena conexión se deben utilizar los accesorios necesarios, tubos,
mangueras, mascarillas con las dimensiones especificadas en la descripción de la válvula.
La válvula Venturi fue probada en centros de salud, utilizando equipos de anestesia para
verificar que tanto la fracción inspirada de oxígeno como el funcionamiento de la misma
fueran correctos.
Figura 19: Ensayos de fracción de oxígeno inspirado con equipo de anestesia.
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La válvula se encuentra presentada como patente de invención ante el Instituto Nacional de
Propiedad Intelectual (INPI), lo que representa un importante logro para el grupo de
investigación ya que es la primera patente de la universidad en el área de salud.
Puede ser encontrada como Patente N°: AR120205A1 bajo el título de “Dispositivo regulador
de flujos de gases”. Sus titulares son: COMISIÓN NACIONAL DE ENERGÍA ATÓMICA (CNEA,
50%); UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRES DE FEBRERO (UNTREF, 50%),
CONCLUSIONES
Se logró realizar una válvula Venturi con las siguientes características:
● De flujo variable con parámetros de FiO2 entre 24% y 60%.
● Diseño sencillo y uso simple.
● Fabricable con impresión 3D con materiales de origen nacional y biodegradables o
reciclables, aprobados por FDA para su uso médico.
● De producción rápida y económica.
● Adaptable a los respiradores y máscaras de oxígeno de los hospitales y centros de salud
nacionales.
● Posibilidad de reproducción del modelo en diferentes regiones.
● Con potencial para ser reutilizada.
La fabricación de esta válvula mediante impresión 3D, permitirá la fabricación de un insumo
faltante y de gran necesidad para el funcionamiento de las máscaras de oxígeno en los
enfermos del COVID-19 con un material amigable con el medio ambiente.
Las mismas, luego de completar los ensayos de calidad y verificaciones impuestas por ANMAT,
podrán ser distribuidas a los centros de salud como insumo esencial de las máscaras de
oxígeno.
La válvula fabricada puede utilizarse satisfactoriamente para asistir al paciente hipoxémico o
con riesgo de hipoxia con dificultades en las vías respiratorias tanto en adultos como en
pediatría, durante el tratamiento de la insuficiencia respiratoria.
Es muy importante destacar que la válvula diseñada puede ser fabricada en distintos lugares
del país, por lo que se facilita tanto su producción como su distribución a los centros de salud.
El diseño y la construcción de la válvula Venturi de flujo variable son un importante aporte de
la Universidad Nacional de Tres de Febrero y la Comisión Nacional de Energía Atómica, junto
con el grupo de investigación AEROMAT a la incorporación de tecnologías de impresión 3D
en la medicina nacional.
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