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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.18.2016.tde-17092015-171000
Documento
Autor
Nome completo
Camila Roberta de Meira
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2014
Orientador
Banca examinadora
Fortulan, Carlos Alberto (Presidente)
Borges, Ana Flávia Sanches
Gaspar, Ana Maria Minarelli
Rigo, Eliana Cristina da Silva
Zavaglia, Cecília Amélia de Carvalho
Título em português
Processamento de hidroxiapatita bovina associada com prototipagem rápida visando implantes ósseos
Palavras-chave em português
3DPrint
Compósito hidroxiapatita/whiskers de alumina
Hidroxiapatita bovina
Implante ósseo
Prototipagem rápida
SLB
Usinagem a verde
Resumo em português
O presente trabalho trata da manufatura direta de implantes de hidroxiapatita mediante a técnica de prototipagem rápida. A hidroxiapatita proveniente de estrutura óssea mineral bovina possui grande importância dentre os biomateriais devido a sua biocompatibilidade e grande similaridade com a estrutura óssea humana. A prototipagem rápida permite a obtenção de modelos com dimensões e formato miméticos ao do defeito ósseo do paciente e possibilita a obtenção de implantes com porosidade desejada e geometria complexas. Este trabalho tem como objetivo o estudo da obtenção de implantes por três diferentes técnicas de prototipagem rápida: usinagem a verde, 3DPrint e uma inovadora técnica de prototipagem rápida obtida pela polimerização da resina acrílica (fase líquida da barbotina) por luz ultravioleta presente em uma faixa da banda do espectro de luz emitido pelo laser azul (SLB). A diminuta pressão de conformação, típicas das técnicas de prototipagem rápida aditiva, exige pós altamente reativos para efetiva sinterização, dessa forma a hidroxiapatita obtida a partir do fêmur bovino foi calcinada e moída em moinhos de bolas e vibratório na busca de pós submicrométricos. A usinagem a verde de compactados foi considerada como padrão ouro da manufatura e foi aplicada para obtenção de corpos de prova cilíndricos, previamente conformados por prensagem isostática a 100 e 200 MPa e ensaiados por densificação, flexão, dureza e tenacidade à fratura. Introdução de partículas de alumina e whiskers de alumina foram ensaiados na busca de otimização das propriedades mecânicas. Para prototipagem rápida pelo método de SLB, misturas de hidroxiapatita e resina foram submetidas à emissão do laser azul com percurso direcionado em equipamento CNC, onde peças tridimensionais foram prototipadas e sinterizadas. A hidroxiapatita proveniente do osso bovino apresentou características de íons substitucionais de carbonato e após moagens em moinho de bolas seguido de vibratório foi obtida partículas de diâmetro médio equivalente de 0,35 µm que se mostraram reativas para promoção da sinterização. A sinterização a 1300 ºC-2h forneceu as melhores características cristalográfica e de propriedades mecânicas, resultando em corpos referências com hidroxiapatita sem decomposição em outros fosfatos de cálcio com 99,8 % da densidade, resistência mecânica à flexão de 100 MPa, dureza de 483 HV e tenacidade à fratura de 0,6 MPa.m1/2. A introdução de 1 vol% de alumina e whiskers de alumina elevaram a resistência mecânica do corpo para aproximadamente 140 MPa com tenacidade de 0,61 MPa.m1/2. Para a técnica 3DPrint aglomerados esféricos da composição cerâmica deve ter dimensões entre as malhas de 200 e 400 mesh (75 a 38 µm) e o binder deve ter resistividade superior à 290 kΩ, componentes reativos, emolientes, lubrificantes e estabilizantes. Na manufatura pela técnica SLB a incidência do laser com fluência de 170 mW.s/mm2 promoveu a cura da resina no diâmetro de 0,5 mm e profundidade próxima a 0,5 mm o que, permitiu a prototipagem de scaffolds com camadas de espessura de 0,5 mm resistente ao manuseio para remoção da barbotina não curada.
Título em inglês
Hydroxyapatite processing associated with rapid prototyping aiming bone implants
Palavras-chave em inglês
3DPrint
Bone implants
Bovine hydroxyapatite
Composite hydroxyapatite/alumina whiskers
Green machining
Rapid prototyping
SLB
Resumo em inglês
The study deals with the direct manufacturing of hydroxyapatite implants using rapid prototyping. Hydroxyapatite structure originated from bovine mineral bone has great importance among the biomaterials and biocompatibility due to its great similarity with the human bone structure. Rapid prototyping allows obtaining models with dimensions and shaping mimetics to the patient's bone defect and enables the achievement of implants with complex geometry and porosity desired. This study aims to obtain scaffolds for three rapid prototyping techniques: the green machining, 3DPrint and an innovative rapid prototyping technique, obtained by polymerization of acrylic resin (liquid phase of slurry) by ultraviolet light present in a range of the spectrum band a blue light emitted by the laser (SLB). The small conformation pressure, typical of additive rapid prototyping techniques requires highly reactive powders for effective sintering, and then hydroxyapatite obtained from bovine femur was calcined and milled in ball mill and vibratory mill for obtention of sub micrometrics powders. The green machining was considered as the standard of mechanical properties and was used to obtain cylindrical specimens, previously shaped by isostatic pressing at 100 and 200 MPa, and tested by densification, bending, hardness and toughness fracture. Introduction of particles of alumina and alumina whiskers were tested in search engine optimization of the mechanical properties. For rapid prototyping by the method of SLB, mixtures of hydroxyapatite and resin were subjected to blue laser emission directed in CNC equipment where three-dimensional pieces were prototyped and sintered. Hydroxyapatite derived from bovine bone showed characteristics of substitutional carbonate ions and non-stoichiometry, after grinding in a ball mill followed by vibratory mill, particles obtained was equivalent average diameter of 0.35 micrometers that proved reactive to promote sintering. Sintering at 1300 °C-2h gave the best crystallographic characteristics and mechanical properties, resulting in references bodies with hydroxyapatite without decomposition of other calcium phosphates with 99.8 % of density, flexural strength of 100 MPa, hardness of 483 HV and fracture toughness of 0.6 MPa.m1/2. The introduction of 1 vol% alumina and alumina whiskers increased the mechanical strength of the body with approximately 140 MPa and toughness fracture of 0.61 MPa.m1/2. For technical 3DPrint spherical agglomerates of ceramic composition should have dimensions between 200 and 400 mesh (75-38 µm) and the binder should have resistivity higher than 290 kΩ and components reactive, emollients, lubricants and stabilizers. In the manufacturing technique SLB incidence of the laser with a fluency of 170 mW.s/mm2 promoted curing of the resin of 0.5 mm in diameter and depth about 0.5 mm, which enabled the prototyping of scaffolds with thick layers 0.5 mm resistant to handle for removal of slurry uncured.
 
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MEIRA.pdf (7.21 Mbytes)
Data de Publicação
2016-01-07
 
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