Estudio y diseño de materiales de impresión 3d que soporten los sistemas de esterilización médicos

Abstract

[ES] Actualmente se usan varios materiales poliméricos para aplicaciones médicas. Debido a la facilidad de poder fabricar formas complejas, que con otros métodos es difícil realizarlas, se usa cada vez con más frecuencia la manufactura aditiva (MA) con materiales poliméricos. El proceso de fabricación aditiva por extrusión de material (MEX), es el proceso de MA más utilizado debido al bajo coste de los equipos, la facilidad de acceso a los materiales (filamento de impresión 3D) y la relativamente baja complejidad de la técnica con respecto a otras tecnologías de procesamiento de polímeros. Estos materiales deben ser compatibles con el cuerpo humano y se requiere que las partes impresas en 3D sean resistentes a los procesos de esterilización, para evitar cualquier tipo de infección o contaminación. Los procesos de esterilización por calor húmedo (MH) y calor seco (DH) son los más usados en el campo de la medicina y son asequibles incluso en instalaciones de baja complejidad. Sin embargo, varios de estos materiales poliméricos, disminuyen sus propiedades mecánicas, térmicas y reológicas y/o cambian dimensionalmente al ser sometidos a los procesos de esterilización. Algunos materiales poliméricos biocompatibles usados para aplicaciones médicas que se encuentran disponibles a nivel comercial en forma de filamento 3D para MA, como el poli(ácido láctico) (PLA), presentan alta resistencia mecánica y rigidez. Sin embargo, su fragilidad impide su uso extendido y esta fragilidad puede ser incluso mayor después de someter a los materiales a procesos de esterilización. Para investigar los efectos de estos dos métodos de esterilización, se imprimieron por MEX algunos especímenes de ensayo con filamentos comerciales de baja temperatura de fusión como el polietileno tereftalato glicol reforzado con fibra de carbono (PETG-CF), poli (ácido láctico) (PLA), CPE , PLA Smartfill®, y un material compuesto elaborado a partir de PLA y reforzado con hidroxiapatita (PLA-HA). Asimismo, se imprimieron por MEX materiales comerciales de alto punto de fusión como el policarbonato (PC), nylon (PA) y polipropileno (PP). Para caracterizar los materiales antes y después de los procesos de esterilización se realizaron pruebas mecánicas, térmicas, termo-mecánicas y ópticas para determinar el efecto de los procesos de impresión sobre cada tipo de material y verificar si las propiedades finales cumplen los requisitos para aplicaciones médicas. Se utilizó la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) para identificar los cambios químicos en los grupos funcionales de las muestras impresas y esterilizadas. Luego, se realizó un estudio morfológico por estereomicroscopio y microscopio electrónico de barrido (SEM) para estudiar los cambios de las muestras debido a los procesos de esterilización. Finalmente, en el caso del polipropileno se hizo la descripción del modelo reológico usando el modelo de Cross-WLF para inferir en las condiciones de procesamiento por MA. En general se encontró que los materiales como el nylon (PA), el polipropileno (PP) y el policarbonato (PC) pueden soportar los procesos de esterilización por calor, por lo que podrían emplearse para el desarrollo de materiales para prótesis y/u otras prestaciones médicas. Por su parte, el PETG reforzado con fibra de carbono, el CPE, el PLA, el PLA Smartfill® y el PLA reforzado con hidroxiapatita (PLA-HA) varían dimensionalmente después de los procesos de esterilización, afectando las propiedades mecánicas de las partes impresas. Por lo tanto, no se recomiendan para su aplicación en prótesis esterilizadas mediante los dos procesos de esterilización estudiados. Sin embargo, el PLA Smartfill® que es más fácil de procesar que los otros PLAs estudiados (PLA y PLA-HA) y que presenta menor contracción durante los procesos de esterilización, podría ser utilizado para aplicaciones que no permanecerán en el cuerpo humano y que requieren menores prestaciones mecánicas, como por ejemplo en guías de cirugía

[CA] Actualment s'usen diversos materials polimèrics per a aplicacions mèdiques,. A causa de la facilitat de poder fabricar formes complexes, que amb altres mètodes és difícil realitzar-les, s'usa cada vegada amb més freqüència la manufactura additiva (MA) amb materials polimèrics acceptats per a aplicacions mèdiques. El procés de fabricació additiva per extrusió de material (MEX), és el procés de MA més utilitzat a causa de el baix cost dels equips, la facilitat d'accés als materials (filament d'impressió 3D) i la relativament baixa complexitat de la tècnica respecte a altres tecnologies de processament de polímers com l'extrusió, emmotllament per injecció, etc. Aquests materials han de ser compatibles amb el cos humà i es requereix que les parts impreses en 3D siguin resistents als processos d'esterilització, per evitar qualsevol tipus d'infecció o contaminació, la qual cosa s'aconsegueix mitjançant el procés d'esterilització. Els processos d'esterilització per calor humida (MH) i calor seca (DH) són els més usats en el camp de la medicina i són assequibles fins i tot en instal·lacions de baixa complexitat (exemple: dispensaris, consultoris, etc.). No obstant això, diversos d'aquests materials polimèrics, disminueixen les seves propietats mecàniques, tèrmiques i reològiques i / o canvien dimensionalment a l'ésser sotmesos als processos d'esterilització. Alguns materials polimèrics biocompatibles usats per a aplicacions mèdiques que es troben disponible a nivell comercial en forma de filament 3D per MA, com el àcid polilàctic (PLA), presenten alta resistència mecànica i rigidesa. No obstant això, la seva fragilitat impedeix el seu ús estès i aquesta fragilitat pot ser fins i tot major després de sotmetre els materials a processos d'esterilització. Per a investigar els efectes d'estos dos mètodes d'esterilització, es van imprimir per MEX alguns espècimens d'assaig amb filaments comercials de baixa temperatura de fusió com el polietilé tereftalato glicol reforçat amb fibra de carboni (PETG-CF) , poli (àcid làctic) (PLA) , CPE , PLA Smartfill®, i un material compost elaborat a partir de PLA i reforçat amb hidroxiapatita (PLA-HA) . Així mateix, es van imprimir per MEX materials comercials d'alt punt de fusió com el policarbonat (PC) , niló (PA) i polipropileno (PP) . Per a caracteritzar els materials abans i després dels processos d'esterilització es van realitzar proves mecàniques, tèrmiques, termomecàniques i òptiques per a determinar l'efecte dels processos d'impressió sobre cada tipus de material i verificar si les propietats finals complixen els requisits per a aplicacions mèdiques. Es va utilitzar l'espectroscòpia infraroja per transformada de Fourier (FTIR) per a identificar els canvis químics en els grups funcionals de les mostres impreses i esterilitzades. Després, es va realitzar un estudi morfològic per estereomicroscopio i microscopi electrònic d'agranat (SEM) per a estudiar els canvis de les mostres degut als processos d'esterilització. Finalment, en el cas del polipropileno es va fer la descripció del model reológico usant el model de Cross-WLF per a inferir en les condicions de processament per MA. En general es va trobar que els materials com el niló (PA) , el polipropilens (PP) i el policarbonat (PC) poden suportar els processos d'esterilització per calor, per la qual cosa podrien emprar-se per al desenrotllament de materials per a pròtesi y/u altres prestacions mèdiques. Per la seua banda, el PETG reforçat amb fibra de carboni, el CPE, el PLA, el PLA Smartfill® i el PLA reforçat amb hidroxiapatita (PLA-HA) varien dimensionalment després dels processos d'esterilització, afectant les propietats mecàniques de les parts impreses. Per tant, no es recomanen per a la seua aplicació en pròtesi esterilitzades per mitjà dels dos processos d'esterilització estudiats. No obstant això, el PLA Smartfill® que és més fàcil de processar que els altres PLAs estudiats (PLA i PLA-HA) i que presenta menor contracció durant els process

[EN] Various polymeric materials are currently used for medical applications. Due to the ease of being able to manufacture complex shapes, which with other methods is difficult to perform, additive manufacturing (MA) with polymeric materials is increasingly used. The additive manufacturing process by material extrusion (MEX), is the most widely used MA process due to the low cost of the equipment, the ease of access to the materials (3D printing filament) and the relatively low complexity of the technique with respect to other polymer processing technologies. These materials must be compatible with the human body and require that the 3D printed parts be resistant to sterilization processes, to avoid any type of infection or contamination. Wet heat (MH) and dry heat (DH) sterilization processes are the most widely used in the medical field and are affordable even in low-complexity facilities. However, these polymeric materials decrease their mechanical, thermal and rheological properties and/or change dimensionally when subjected to sterilization processes. Some biocompatible polymeric materials used for medical applications that are commercially available in 3D filament form for MA, such as poly(lactic acid) (PLA), have high mechanical strength and rigidity. However, their fragility prevents their widespread use, and this fragility can be even greater after subjecting the materials to sterilization processes. To investigate the effects of these two sterilization methods, some test specimens with commercial low-temperature melting filaments such as carbon fiber reinforced polyethylene terephthalate glycol (PETG-CF), poly (lactic acid) (PLA), CPE, Smartfill PLA®, and a material were printed by MEX. compound made from PLA and reinforced with hydroxyapatite (PLA-HA). Commercial high melting point materials such as polycarbonate (PC), nylon (PA) and polypropylene (PP) were also printed by MEX. To characterize the materials before and after the sterilization processes, they performed mechanical, thermal, thermo-mechanical and optical tests to determine the effect of the printing processes on each type of material and verify if the final properties meet the requirements for medical applications. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) was used to identify chemical changes in the functional groups of printed and sterilized samples. Then, a morphological study was performed by stereomicroscope and scanning electron microscope (SEM) to study the changes of the samples due to sterilization processes. Finally, in the case of polypropylene, the description of the rheological model was made using the Cross-WLF model to infer in the processing conditions by MA. In general, it was found that materials such as nylon (PA),polypropylene (PP) and polycarbonate (PC) can withstand heat sterilization processes, so they could be used for the development of materials for prostheses and / or other medical benefits. Carbon fiber reinforced PETG, CPE, PLA, Smartfill PLA® and hydroxyapatite-reinforced PLA (PLA-HA) varied dimensionally after sterilization processes, affecting the mechanical properties of the printed parts. Therefore, they are not recommended for application in sterilized prostheses by the two sterilization processes studied. However, Smartfill PLA® which is easier to process than the other PLAs studied (PLA and PLA-HA) and which has less contraction during sterilization processes, could be used for applications that will not remain in the human body and that require lower mechanical performance, such as in surgery guides. In this way, the MA by MEX represents a simple and economical technique that can be implemented for the development of materials for custom-designed surgery guides and sterilizable by simple processes such as wet heat and dry heat, available in low complexity medical facilities.