Personalizzazione della composizione delle miscele di biocopoliestere per un'estrusione dimensionalmente accurata

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 20341 (2022) Citare questo articolo

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La fabbricazione di filamenti fusi (FFF) rappresenta una semplice tecnica di produzione additiva applicata nel settore medico per il trattamento personalizzato dei pazienti. Tuttavia, i biopolimeri frequentemente lavorati non hanno sufficiente stabilità termica per essere utilizzati come dispositivi ausiliari come le guide chirurgiche. Lo scopo di questo studio era di valutare l'accuratezza dimensionale delle miscele sperimentali di biocopoliestere con caratteristiche termiche migliorate dopo la stampa, la ricottura e la sterilizzazione. Sono stati stampati un totale di 160 campioni quadrati e 40 guide chirurgiche per il posizionamento degli impianti orali. Un sottogruppo di ciascun materiale (n = 10) è stato sottoposto a ricottura termica prima che entrambi i sottogruppi fossero sottoposti a sterilizzazione a vapore (134 °C; 5 min). I campioni sono stati digitalizzati ed è stata calcolata la deviazione dal file originale. Il comportamento termico è stato analizzato mediante calorimetria a scansione differenziale e analisi termogravimetrica. Per le analisi statistiche sono stati applicati l'ANOVA unidirezionale e i test t (p <0,05). Tutte le miscele di biocopoliestere hanno mostrato deformazioni durante la sterilizzazione a vapore. Tuttavia, la modifica del materiale con riempitivi minerali (21-32% in peso) e agenti nucleanti in combinazione con la ricottura termica ha mostrato una deformazione significativamente ridotta dei campioni quadrati stampati. La geometria dell'oggetto da stampare sembrava influenzare l'accuratezza dimensionale, poiché le guide chirurgiche stampate mostravano una minore distorsione tra i gruppi. In sintesi, i biocopoliesteri hanno beneficiato dei riempitivi e della ricottura per migliorare la loro stabilità dimensionale.

I processi di produzione additiva (AM) come la stereolitografia (SLA) e l’elaborazione digitale della luce (DLP) sono sempre più applicati nel campo dentale. Un esempio è la produzione personalizzata di dime chirurgiche per il posizionamento di impianti orali1. Questi processi di polimerizzazione in vasca includono la polimerizzazione di resine fotopolimeriche liquide con luce ultravioletta, che consente la produzione precisa degli oggetti finali2. Tuttavia, gli oggetti stampati richiedono un'estesa post-elaborazione sotto forma di risciacquo, lavaggio e fotopolimerizzazione3 e può verificarsi un'eluizione dei monomeri nell'ambiente orale umido4. L'intero processo di produzione richiede personale esperto e le attrezzature e i materiali sono costosi.

Al contrario, la fabbricazione di filamenti fusi (FFF), nota anche come modellazione a deposizione fusa (FDM), rappresenta un metodo AM semplice ed economico5. Un materiale termoplastico viene alimentato in un ugello riscaldato, dove viene fuso e successivamente depositato a strati fino alla realizzazione dell'oggetto finale. Le parti finite non richiedono ulteriori passaggi di pulizia o fotopolimerizzazione. I materiali applicati necessitano di una bassa tendenza alla deformazione, di una fusione rapida e stabile degli strati depositati e di una buona adesione alla piattaforma di costruzione6,7.

I materiali termoplastici utilizzati per il FFF si differenziano per la loro natura amorfa o semicristallina8. Allo stato solido, al di sotto della temperatura di transizione vetrosa, sono presenti in una fase vetrosa e quindi presentano proprietà fragili e dure. I polimeri amorfi non presentano un punto di fusione specifico, ma si trasformano in uno stato viscoso quando viene superata la temperatura di transizione vetrosa. La viscosità diminuisce in un ampio intervallo di temperature, consentendo una lavorazione semplice. Tuttavia, la differenza tra la temperatura di lavorazione e la temperatura di transizione vetrosa nei polimeri semicristallini è relativamente elevata, il che porta a maggiori difficoltà nella stampa9.

Il restringimento avviene durante il processo di raffreddamento, in particolare a causa della cristallizzazione10,11. La deformazione risulta dallo stress da contrazione che si verifica quando uno strato viene raffreddato su uno strato già raffreddato. Maggiore è la differenza di temperatura tra i due strati, maggiore è la deformazione. I polimeri con un contenuto cristallino maggiore sono quindi più inclini al ritiro e alla deformazione12. Pertanto, per la stampa basata su estrusione vengono utilizzati principalmente copolimeri polimerici amorfi acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) o policarbonati (PC). Inoltre, sono ampiamente utilizzati materiali termoplastici semicristallini con una bassa cristallinità e una bassa velocità di cristallizzazione, come gli acidi polilattici (PLA) o i poliidrossialcanoati (PHA)2,13,14,15. PLA e PHA appartengono ai biopolimeri che offrono un'ampia fonte di materia prima, rendendoli disponibili a basso costo16. Sono biodegradabili in determinate condizioni e potrebbero rappresentare un'alternativa sostenibile per i prodotti ausiliari monouso come le guide chirurgiche per il posizionamento degli impianti orali17. Tuttavia, a causa della loro bassa cristallinità, i biopolimeri non presentano le stesse proprietà meccaniche e resistenza chimica dei polimeri con una cristallinità più elevata. La ricottura termica del PLA dopo la stampa basata su estrusione può portare ad una maggiore cristallinità e di conseguenza a una maggiore resistenza meccanica18. Inoltre, le proprietà meccaniche e termiche possono essere ottimizzate da riempitivi come silice o fibre naturali9,19. Per quanto riguarda un'applicazione medica di parti stampate con FFF come guide chirurgiche o strumenti medici in un ambiente sterile, si sa poco riguardo all'effetto della sterilizzazione a vapore sull'accuratezza dimensionale e sulla cristallinità dei biopolimeri stampati a base di estrusione. L'elevata precisione dimensionale delle parti stampate basate sull'estrusione, come le guide chirurgiche, dopo la sterilizzazione a vapore è fondamentale per l'utilizzo in un ambiente medico.