Mecánica del policarbonato biocompatible impreso en 3D para aplicaciones biomecánicas

366
views
Mecánica del policarbonato biocompatible impreso en 3D para aplicaciones biomecánicas

Por Ibtisam Abbasi

La aplicación de la fabricación aditiva (AM) en el campo de la fabricación de materiales biocompatibles ha sido realmente beneficiosa para aumentar el rendimiento biomecánico de los productos finales, como se amplía en una nueva investigación en la revista Polymers de MDPI.

Diseños de probetas de ensayo, con dimensiones de acuerdo con las normas ASTM correspondientes para cada ensayo de caracterización. De izquierda a derecha: pruebas de tracción (ASTM D638), pruebas de flexión (ASTM D790), pruebas de corte (ASTM D5379), pruebas de fatiga e impacto (ASTM D7774 e ISO 179-1).

AM ahora permite la sustitución o refuerzo de huesos y prótesis mediante imitación geométrica sintética. La deposición secuencial de varias capas de carbonato durante el proceso garantiza la integridad estructural, propiedades mecánicas superiores, mayor vida útil y la imitación de la porosidad ósea natural, lo que lo hace muy adecuado para el campo biomecánico.

Policarbonato y sus propiedades

El policarbonato (PC) certificado ISO 10993 es un material termoplástico de alta complejidad geométrica convenientemente esterilizado por rayos gamma y óxido de etileno. El polímero de ingeniería de alta calidad es resistente y tiene una alta resistencia a la fatiga junto con resistencia al calor y a los productos químicos.

Por tanto, se utiliza ampliamente para diversas aplicaciones médicas tales como esterilización, diálisis renal, fabricación de instrumentos quirúrgicos y productos de cirugía cardíaca. Estas distintas propiedades ventajosas han motivado a los investigadores a centrarse en su amplia utilización en el campo médico, y el último estudio de Marco A. Pérez y su equipo ha analizado con éxito las propiedades de las PC impresas en 3D para las funcionalidades biomédicas.

Pruebas y métodos

El último estudio incluye pruebas exhaustivas, como pruebas de impacto, cortante, pruebas de fatiga, pruebas de tracción y pruebas de flexión para evaluar con precisión todas las propiedades mecánicas relevantes. Dado que el mecanismo de impresión es esencial para la orientación de la fibra en el material de resina de construcción de polímero, se utilizaron dos orientaciones de impresión distintas, Z-Flat y Z-Edge, y se estudiaron Z-Flat (configuraciones ZX).

Se probaron trescientas veintidós muestras con procedimientos de prueba estándar bien documentados y equipos de prueba, como el uso del equipo Zwick 30kN. Las pruebas siguieron cuidadosamente el protocolo de prueba estandarizado ASTM D638. Un enfoque tan uniforme hacia las pruebas y la evaluación es esencial para obtener resultados precisos y un análisis de rendimiento.

El rendimiento del polímero se evaluó cuidadosamente, teniendo en cuenta los resultados de cada prueba individualmente para tener una idea clara de las propiedades y el rendimiento del polímero. El rendimiento de las muestras fabricadas en el eje Z resultó ser el peor. Estas muestras consumen la mayor cantidad de tiempo para imprimirse.

Sin embargo, los resultados generales de los módulos de tracción están muy cerca del valor de referencia del módulo (2000 MPa), mostrando propiedades de rigidez ortotrópica.

Los valores de resistencia más bajos de los polímeros impresos en el eje Z representan el punto débil de la fabricación vertical de polímeros. El rendimiento de flexión no se vio afectado por la variación de la orientación o dirección de impresión y está dentro del límite del valor de referencia de 2100 MPa. Sin embargo, las muestras del eje Z experimentaron fracturas que se produjeron entre varias capas.

El rendimiento de resistencia de las muestras del eje X fue más bajo para la orientación del filamento de 90 grados. El análisis de rendimiento mostró claramente que si el filamento está en la dirección de la fibra tensada (el ángulo es de 0 grados), el polímero muestra la máxima resistencia y elasticidad.

Evaluación del desempeño de impacto y fatiga

Se seleccionó la prueba Charpy para la evaluación del rendimiento de impacto y, al igual que la prueba de tracción, las muestras del eje Z tenían la propiedad de tenacidad más baja.

Esto se debe a que los valores de tensión más altos conducen a la formación de grietas, que actúa como un punto de fractura. Por lo tanto, es bastante evidente que un ángulo de trama de 0 grados proporciona a los polímeros la mayor resistencia a la fatiga, mientras que las muestras orientadas a la trama de 90 grados tienen el valor más bajo de resistencia a la fatiga. Nuevamente, los polímeros verticales del eje Z tenían el peor límite de resistencia a la fatiga por flexión ya que sus capas experimentaron desintegración.

Estos resultados plantean una seria cuestión en cuanto a las propiedades y el rendimiento mecánico de los polímeros orientados al eje Z.

Revisión de desempeño

El análisis de rendimiento detallado publicado en Polymers pudo identificar puntos clave con respecto a la orientación del ráster. Las muestras verticales del eje Z, que tienen el mayor número de capas en su estructura geométrica, también requieren mucho tiempo y recursos para su síntesis.

La purga de las puntas de las capas también es un factor esencial para este tiempo prolongado de impresión 3D.

Aunque los resultados de las pruebas para diferentes muestras impresas en 3D son casi proporcionales, el rendimiento del eje Z y el análisis mecánico la identifican como la muestra más débil. La separación repentina de las capas de carbonato conduce a fracturas frágiles en estas muestras orientadas verticalmente, lo que muestra sus propiedades de menor resistencia a las tensiones ejercidas.

Las propiedades de fatiga se ven ampliamente afectadas por el ángulo de trama y la orientación del eje de la impresión 3D del polímero. El análisis general del rendimiento mecánico y los resultados de las pruebas indican que la orientación X-flat es la más confiable mecánicamente y tiene la mayor resistencia.

Sin embargo, un punto esencial que debe tenerse en cuenta es que estas propiedades aún están lejos de las conocidas propiedades óseas humanas. Por lo tanto, aunque el polímero de PC tiene las certificaciones de dopaje de biocompatibilidad con otros elementos o compuestos, es necesario para mejorar el rendimiento mecánico y aumentar la confiabilidad.

Referencias

Gras, G. G., Abad, M. D. y Pérez, M. A. (25 de octubre de 2021). Rendimiento mecánico del policarbonato biocompatible impreso en 3D para aplicaciones biomecánicas. Polímeros, 13 (21).

https://www.mdpi.com/2073-4360/13/21/3669