Compósitos baseados em PLA e ABS para impressão 3D de simuladores antropomórficos - Thomazi, Eduardo (My University, 2023)
Additive manufacturing has been standing out for some years in both scientific and industrial fields. One of the 3D printing methods by material extrusion that stands out is the fused filament fabrication technique (FFF). This method uses raw materials in the form of filaments and for this reason, much research is focused on obtaining suitable filaments for specific applications. In the health area, personalization is relevant due to the specificity of each human being. One example is the development of anthropomorphic simulators (personalized medical devices based on computed tomography (CT) scans that aim to ensure a faithful 3D model representation of a patient. The applications of these devices involve therapies and laboratory tests where exposure to radiation occurs and, due to this, there is a need for them to reproduce the intensity and similarity of human tissues (soft and bone) when exposed to X-rays. In this work, compounds of polymeric materials with ceramics were developed and the attenuation of each mixture was determined, in the Hounsfield Unit (HU) scale, used in computed tomography exams. ABS and PLA polymers were combined with various ceramic fillers (hydroxyapatite, aluminum oxide, zirconium oxide and bismuth carbonate). For mimick of bone tissue, the ABS sample with zirconium oxide or bismuth carbonate experienced results above the minimum limit of cortical bone tissue, of 225 Hounsfield Unit (HU), reaching values close to 2000 HU with 12% of bismuth carbonate. For soft tissues, hydroxyapatite and aluminum oxide did not show considerable improvements over pure polymers due to the porosity of the printed samples. To adapt the rheology of the filaments to the printing process, stearic acid and carnauba wax were used as surfactants. The two additives proved to be adequate to improve the distribution of the particles in the polymers, and maintained the fluidity of the mixtures close to those of the pure polymers. The 3D printing tests of a head and neck simulator, using a double-head printer, with one of the nozzles imitating soft tissue and the other imitating bone tissue, demonstrated satisfactory results in imaging with panoramic radiography, cone beam computed tomography (dental), and computed tomography (medical). [resumo fornecido pelo autor]
A manufatura aditiva vem se destacando há alguns anos tanto no meio científico, como no industrial. Dos métodos de impressão 3D por extrusão de materiais, destaca-se a técnica de fabricação por filamento fundido (FFF). Esta técnica faz a utilização de matérias-primas no formato de filamentos e, por este motivo, muitas pesquisas são voltadas para a obtenção de filamentos adequados para aplicações específicas. Na área da saúde, a customização é importante devido à especificidade de cada ser humano. Um exemplo são os simuladores antropomórficos, que são dispositivos médicos personalizados baseados em tomografias computadorizadas (TC), e que visam garantir uma representação fiel do modelo 3D do paciente. As aplicações destes dispositivos envolvem terapias e exames laboratoriais onde ocorre a exposição à radiação e, por isso, existe a necessidade de que reproduzam a intensidade e similaridade tecidos humanos (macios e ósseos) quando expostos aos raios X. Neste trabalho, foram desenvolvidos compósitos de materiais poliméricos com cerâmicas e foi determinada a atenuação de cada mistura, na escala Hounsfield Unit (HU), usada em exames de tomografia computadorizada. Foram testadas combinações dos polímeros ABS e PLA com diversas cargas cerâmicas (hidroxiapatita, óxido de alumínio, óxido de zircônio e carbonato básico de bismuto). Para imitação de tecido ósseo, as amostras de ABS com óxido de zircônio ou carbonato de bismuto mostraram resultados acima do limite de mínimo de tecido ósseo cortical, de 225 Hounsfield Unit (HU), chegando a alcançar valores próximos a 2000 HU com 12 % de carbonato de bismuto. Para tecidos macios, a hidroxiapatita e o óxido de alumínio não apresentaram melhorias consideráveis em relação aos polímeros puros devido à porosidade das amostras impressas. Para adequar a reologia dos filamentos ao processo de impressão, foram utilizados como surfactantes o ácido esteárico e a cera de carnaúba. Os dois aditivos mostraram-se adequados para melhorar a distribuição das partículas nos polímeros, e mantiveram a fluidez das misturas próximas às dos polímeros puros. Os testes de impressão 3D de um simulador de cabeça e pescoço, utilizando uma impressora de duplo cabeçote, com um dos bicos imitando tecido macio e o outro imitando tecido ósseo, exibiram resultados satisfatórios na geração de imagens com radiografia panorâmica, tomografia computadorizada de feixe cônico (odontológica) e tomografia computadorizada (médica). [resumo fornecido pelo autor]
Keywords: Cerâmica; Impressão em três dimensões; Tomografia; Materiais biomédicos; Compósitos poliméricos; Pottery; Three-dimensional printing; Tomography; Biomedical materials; Polymeric composites