AFINIDADE QUÍMICA E ADESÃO MECÂNICA

De acordo com Foggiatto (2005), uma das limitações na moldagem de termoplásticos em moldes poliméricos fabricados por impressão 3D diz respeito à ocorrência de afinidade química entre materiais. O Quadro 2 destaca a afinidade química do ABS com polímeros, com destaque para a ocorrência com o PMMA.

MATERIAL FABRICANTE ABS PC PEAD PEBD PET PMMA PP PVC

ABS Ronfalin

FONTE: adaptada de DSM (1999).

Vale destacar a importância de se verificar a ocorrência de afinidade química ou adesão entre o material do molde e o PMMA como elemento. Alguns estudos se destacam: trabalhos de Proschek et al. (2011) e Awaja et al. (2009).

De acordo com Proschek et al. (2011), a reação exotérmica do PMMA leva a uma ampla interação entre os materiais. A reação química muda a estrutura do PMMA e pode gerar inclusões de ar. Em relação a esse estudo, o autor avaliou o processo de injeção de PMMA por meio de seringas. Foram avaliadas aplicações com seringas de PC e de PP (Polipropileno), e verificou-se que ocorreu uma grande interação entre o PC e o PMMA, com a ocorrência de várias inclusões de ar. Por outro lado, no uso da seringa de PP, quase nenhuma interação foi encontrada. A Figura 23 esquematiza os dois casos de adesão.

FIGURA 23 – ENERGIA DA SUPERFÍCIE NOS POLÍMEROS

FONTE: PROSCHEK et al. (2011).

LEGENDA: a) Efeito wetting - Alta adesão entre as superfícies do PMMA e a parede da seringa de PC.

b) Efeito nonwetting - Baixa adesão entre as superfícies do PMMA e a parede da seringa de PP.

QUADRO 2 – AFINIDADE DO ABS COM ALGUNS POLÍMEROS

Muita afinidade

A energia da superfície do polímero é importante porque determina se os adesivos podem se espalhar sobre a superfície de ligação, isso corresponde a molhabilidade do material e é necessária para criar ligações fortes. Verificou-se que o PC possui uma energia de superfície elevada, enquanto que o PP possui superfície de baixa energia (PROSCHEK et al., 2011).

Em outro estudo, Awaja et al. (2009) descrevem a importância de se obter informações sobre as propriedades físicas e químicas das superfícies aderentes e das superfícies. Os três principais mecanismos de adesão apontados: acoplamento mecânico, ligação molecular e adesão termodinâmica. A Figura 24 ilustra o conceito de fixação, exemplificando uma característica do acoplamento mecânico. Pode-se comparar com a colagem de madeira, onde há fixação nas irregularidades ásperas da superfície.

FIGURA 24 – ILUSTRAÇÃO DO ACOPLAMENTO MECÂNICO ENTRE DOIS SUBSTRATOS

FONTE: Awaja et al. (2009).

Na sequência do estudo, outro mecanismo de adesão, a ligação molecular pode ser determinante para explicar a adesão entre duas superfícies em contato próximo. Basicamente, pode envolver forças intermoleculares e interações químicas (ligações iônicas, covalentes e metálicas) (AWAJA et al., 2009).

2.7 MOLDES PARA CRANIOPLASTIA

De acordo com Cheng et al. (2018), é difícil confeccionar manualmente uma prótese de PMMA. Para atingir bons resultados, a habilidade do profissional médico no momento da cirurgia é fundamental. No entanto, esse procedimento demanda

mais tempo e aumenta os riscos para o paciente. Uma alternativa é produzir um molde para acelerar esse processo e para garantir uma prótese ajustada com a falha craniana do paciente. A Figura 25 apresenta diferentes tipos de moldes para cranioplastia: Hieu et al. (2002) propuseram um molde confeccionado por usinagem – Figura 25 (a); Hay et al. (2017) optaram por uma forma fabricada via AM em PLA, a qual se assemelha a curvatura do crânio do paciente – Figura 25 (b); Moser et al. (2017) confeccionaram uma forma via termoformagem, através da qual pode-se obter uma prótese biocompatível – Figura 25 (c); Tan et al. (2016) também propuseram uma forma fabricada em PLA via AM, com a cavidade e o contorno da falha craniana, conforme Figura 25 (d); Cheng et al. (2018) propuseram um molde flexível, feito de silicone, conforme Figura 25 (e); Anchieta et al. (2016) optaram por um molde fabricado em gesso via AM – conforme representação 3D na Figura 25 (f).

FIGURA 25 – TIPOS DE MOLDES PARA CRANIOPLASTIA

FONTE: adaptada de HIEU et al. (2002); HAY et al. (2017); MOSER et al. (2017); TAN et al. (2016); CHENG et al. (2018); ANCHIETA et al. (2016).

LEGENDA: a) Molde usinado.

b) Forma fabricada em PLA.

c) Forma fabricada por termoformagem. d) Forma fabricada em PLA.

e) Molde de silicone.

A usinagem de moldes para cranioplastia foi objeto de estudo de Da Costa e Lajarin (2012). Os objetivos do trabalho foram: comparar próteses produzidas por usinagem e com utilização de molde de gesso; comparar os resultados ao avaliar os erros dimensionais. De acordo com o estudo, a usinagem direta é um processo muito flexível e tem sido destinada à produção de próteses de titânio e acrílico, porém o uso em moldes para cranioplastia ainda é raro, além disso, a dificuldade encontrada no estudo está relacionada com a necessidade de mais ferramentas no processo (para melhorar o acabamento, por exemplo).

De acordo com Da Costa e Lajarin (2012), toda a usinagem foi planejada com o programa Edgecam e executada em um centro de usinagem vertical de três eixos

Romi Discovery 4022. O processo aplicado ao molde foi dividido em duas partes,

parte côncava e convexa. O molde foi usinado em gesso com o auxílio de um compartimento de alumínio (para aumentar a rigidez do material) – Figura 26.

O PMMA foi então preparado e colocado no molde, passados cinco minutos o dispositivo foi fechado e fixado com ajuda de uma prensa hidráulica. Após a fabricação, o crânio, o molde de gesso (núcleo e matriz) e a prótese de acrílico moldada e usinada diretamente foram medidas para comparação com os arquivos em STL. Alguns desvios puderam ser apontados, com possíveis influências da TC, da reconstrução 3D, da segmentação óssea, entre outros. O valor médio da diferença entre o modelo moldado e o digital foi estimado em -0,63% e o tempo de processo de usinagem totalizou 14 horas (DA COSTA e LAJARIN, 2012).

FIGURA 26 – REPRESENTAÇÃO 3D DO MOLDE DE GESSO COM O AUXÍLIO DA USINAGEM

Outro estudo que também aplicou usinagem na fabricação de moldes para próteses cranianas é apresentado por Hieu et al. (2002). A partir de fresagem CNC de 3 eixos, o estudo buscou nesta solução a minimização do custo da prótese, aliando as tecnologias disponíveis numa região específica da Ásia. Com o suporte de um programa de CAD e MIP (Medical Image Processing), o tempo de modelagem geométrica da prótese foi reduzido para 12 horas. Os programas utilizados no estudo foram: Mimics e UG (Unigraphics Solutions) para a modelagem da prótese e do molde e MasterCAM – programa CNC. As cavidades do molde foram geradas usando operações de subtração booleana entre um modelo de prótese sólido, a superfície e um cilindro sólido. O método proposto por Hieu et al. (2002) pode ser conferido na Figura 27. Inicialmente, foi realizada a modelagem 3D da prótese craniana, conforme representação na Figura 27 (a) do antes e depois da anatomia com a aplicação da correção da falha. A Figura 27 (b) compara resultados de próteses fabricadas por AM, usinagem e em PMMA obtida através do molde. Por meio da usinagem, o estudo propôs a fabricação de um molde capaz de confeccionar uma prótese craniana em PMMA, conforme exibe a Figura 27 (c).

FIGURA 27 – MÉTODO UTILIZADO PARA A FABRICAÇÃO DO MOLDE

FONTE: adaptada de HIEU et al. (2002).

LEGENDA: a) Representação 3D da falha craniana do paciente e prótese para correção. b) Comparação de próteses fabricadas por diferentes métodos.

c) Molde resultante do estudo.

A geometria complexa de uma prótese é de difícil usinagem em uma máquina CNC de 3 eixos, podendo haver necessidade de utilização de maquinário com 4 ou

5 eixos. Os materiais utilizados para fazer o molde foram resinas de madeira dura e plásticos. De acordo com os autores, o tempo de usinagem do molde foi de cerca de 6 horas. Para fabricar a prótese de PMMA foram gastas 2 horas. As vantagens apontadas no processo foram: maior precisão; o molde é feito de forma direta; prazo de fabricação mais curto; tecnologia mais barata e acessível; precisão de até 0,05 mm. Portanto, o estudo atestou a confiabilidade da técnica de fresagem CNC para aplicações de cranioplastia. Foram necessários três dias para produzir a prótese e o custo total foi de US$ 300 (HIEU et al., 2002).

Prótese customizada de PMMA com auxílio de dispositivo pré-fabricado por AM está no estudo de Hay et al. (2017). As imagens tomográficas foram utilizadas para produzir uma simples forma da anatomia craniana, que posteriormente foi fabricada em PLA por uma impressora 3D de baixo custo. A Figura 28 ilustra a forma impressa e sua utilização no ato cirúrgico, com aplicação do PMMA para a confecção da prótese craniana. Para evitar a adesão e possível contaminação, foi colocado um plástico estéril entre a forma e o PMMA.

FIGURA 28 – FORMA PARA CONFECÇÃO DE PRÓTESE CRANIANA

FONTE: adaptada de HAY et al. (2017). LEGENDA: a) Forma impressa em PLA.

b) Forma sendo utilizada para confecção de prótese em PMMA.

De acordo com o estudo, o implante necessitou ser aparado (etapa de acabamento) antes da fixação. Os resultados estéticos foram bons, com comprovação de exames de TC pós-operatórios, os quais revelaram a restauração dos contornos cranianos dos pacientes – Figura 29 (HAY et al., 2017).

FIGURA 29 – TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA DO ANTES E DEPOIS COM O IMPLANTE FIXADO

FONTE: adaptada de HAY et al. (2017). LEGENDA: a) TC antes da cranioplastia.

b) TC após implantação da prótese craniana.

A partir dos resultados apontados por Hay et al. (2017), pode-se concluir que a AM representa uma solução útil para a fabricação de dispositivo capaz de confeccionar a prótese craniana. De acordo com a tomografia apresentada, porém, verifica-se a oportunidade de melhoria do resultado, visto que, para o caso relatado, foi necessário um acabamento e a prótese confeccionada não obteve a mesma espessura do crânio. Isso se deve ao formato simplista da forma para fabricar a prótese, ficando a critério de o médico moldá-la manualmente, até obter uma espessura visivelmente adequada para a implantação da prótese.

Um interessante dispositivo de moldagem foi o objeto de estudo de Moser et al. (2017). O diferencial do estudo compreende uma folha de Polipropileno termoformada, que pode servir para fabricação de próteses para correção de grandes defeitos cranianos. Essa solução foi aplicada como dispositivo de moldagem intraoperatório para PMMA e aplicada em 17 pacientes que receberam a prótese confeccionada.

O processo tem início com a conversão dos arquivos DICOM para um modelo 3D em formato STL, realizada no programa proprietário Mimics. Para o tratamento dos arquivos 3D foi escolhido o programa Geomagic Studio (3D Systems), o qual foi aplicado para as etapas de espelhamento e edição da modelagem. Para fabricar o modelo (que serviu de gabarito para o processo), foi utilizada a técnica de AM por SLS (Sinterização Seletiva a Laser) com equipamento EOS P760 e impressão de material proprietário. Após esta etapa, o modelo foi destinado à termoformagem de uma folha de PP transparente de 0,9 mm (película comum em embalagens médicas

e farmacêuticas). Na sequência do processo, a folha foi aquecida, formada e esfriada, além de esterilizada e embalada (Figura 30) – (MOSER et al., 2017).

FIGURA 30 – FOLHA DE PP FABRICADA POR TERMOFORMAGEM

FONTE: adaptada de MOSER et al. (2017).

De acordo com Moser et al. (2017), o tempo gasto no processo foi de 14 dias e os custos fixos por encomenda foram equivalentes a US$ 5675. Durante o ato cirúrgico, os componentes do PMMA foram misturados, conforme as especificações. A massa maleável foi colocada manualmente no dispositivo – Figura 31.

FIGURA 31 – DISPOSITIVO UTILIZADO PARA CONFECCIONAR A PRÓTESE

FONTE: adaptada de MOSER et al. (2017).

Além disso, foi necessário verificar a quantidade de PMMA, pois o modelo fornecia o tamanho e a forma, mas não a espessura do implante. O volume do PMMA foi anteriormente moldado em um recipiente até obter uma placa com espessura constante, que em seguida foi colocado no dispositivo para confeccionar

a prótese. Após o procedimento cirúrgico, uma nova tomografia foi realizada e houve um acompanhamento posterior dos pacientes (MOSER et al., 2017).

A principal desvantagem, apontada pelos autores no estudo, corresponde ao custo relativamente alto do processo, devido ao planejamento de produto digital, a produção da forma negativa com tecnologia SLS, o processamento da folha de polipropileno, bem como a esterilização e embalagem. Destaca-se ainda o tempo para a confecção do produto, em média 14 dias para ser entregue e isso compromete a aplicação em casos urgentes (MOSER et al., 2017).

Outro estudo, apresentado por Tan et al. (2016), utilizou a AM para fabricação da forma. Destaque para os custos desse processo, visto que as próteses prontas para cranioplastia, disponíveis comercialmente são precisas, porém caras. Os autores citam outros estudos que comparam os valores da prótese de PEEK (com custo aproximado de US$ 10500) e implante de hidroxiapatita (podendo custar US$ 7800). Com as vantagens da AM, o estudo apontou, especificamente em Singapura, um custo relativo de US$ 430 (incluindo custos de mão de obra médica, material, processo de esterilização e impressão da forma). A forma foi impressa em PLA e utilizada para confeccionar uma prótese craniana em PMMA – Figura 32.

FIGURA 32 – FORMA IMPRESSA EM PLA E PREENCHIDA COM A PRÓTESE EM PMMA

FONTE: adaptada de TAN et al. (2016).

De acordo com o estudo, a aplicação do PMMA foi simples e direta, e a prótese não precisou de ajustes. O índice de simetria craniana apontado foi de 96,2% (100% representa um crânio perfeitamente simétrico), o cálculo foi executado a partir da sobreposição entre as duas metades do crânio. A confecção de próteses feitas por formas impressas em 3D de baixo custo foi aprovada e pode beneficiar mais pacientes ao redor mundo, porém o estudo indica ainda a necessidade de verificar a aplicabilidade no cenário clínico (TAN et al., 2016).

Cheng et al. (2018) acompanharam 10 casos reais de pacientes com grandes falhas cranianas por 10 meses. De acordo com o estudo, a criação de um molde a partir de um modelo craniano envolveu 4 etapas: 1) Aquisição dos arquivos DICOM a partir de TC; 2) Reconstrução 3D via programa Mimics 14.1 a partir dos arquivos de tomografia; 3) Conversão do arquivo 3D para código G e impressão do protótipo da prótese e 4) Fabricação do molde em silicone a partir da prótese.

A Figura 33 ilustra todo o processo de confecção da prótese craniana. Na primeira etapa – Figura 33 (a) são obtidas as imagens tomográficas do paciente. Na sequência (Figura 33 (b)), os arquivos de TC são convertidos para o formato em 3D, realiza-se a modelagem tridimensional e o design da prótese craniana. Na terceira etapa, conforme Figura 33 (c), o arquivo 3D é convertido para o formato GCode e posteriormente é encaminhado para a impressão 3D do protótipo da prótese. A Figura 33 (d) ilustra a quarta etapa de fabricação do protótipo e análise junto ao arquivo 3D. A quinta etapa - Figura 33 (e) refere-se à fabricação do molde de silicone, obtido através do protótipo impresso da prótese. A última etapa, conforme Figura 33 (f), consiste na confecção da prótese em PMMA por molde flexível.

FIGURA 33 – CONFECÇÃO DA PRÓTESE BIOCOMPATÍVEL

FONTE: adaptada de CHENG et al. (2018). LEGENDA: a) Obtenção dos arquivos de TC.

b) Conversão e modelagem 3D/Design da prótese craniana. c) Conversão de arquivos e impressão 3D.

d) Protótipo em 3D da prótese.

e) Molde de silicone obtido com auxílio do protótipo impresso. f) Prótese em PMMA obtida a partir do molde.

O implante biocompatível foi confeccionado durante a cirurgia a partir do molde de silicone. A superfície de contato do molde foi lubrificada com geleia de lidocaína, com o objetivo de evitar adesão. A preparação do PMMA ocorreu a partir da mistura de componentes e enquanto ainda estava líquido, foi colocado no molde pré-fabricado e fechado, até o momento da extração da prótese resultante. Os pacientes tiveram acompanhamento e ficaram satisfeitos com os resultados. Tomografias pós-operatórias mostraram a restauração da simetria craniana dos casos. O custo médio do procedimento, com o auxílio da impressão 3D foi de apenas US$ 600. O tempo de produção do molde de silicone foi de 3 dias, ou seja, essa técnica não é aplicável em casos urgentes. Os benefícios alcançados foram: menor tempo de exposição à cirurgia, menos perda de sangue, possibilidade de avaliação pré-operatória e simplicidade no procedimento (Cheng et al., 2018).

As aplicações de uma técnica de cranioplastia que utiliza um molde para confecção de próteses em conjunto com um navegador cirúrgico foram objetos de estudo de Anchieta et al. (2016). A simulação da falha óssea foi realizada pelo programa EximiusMed, o qual permitiu a reconstrução virtual da calota craniana e a produção do molde personalizado com o uso do programa Magics.

O molde e a réplica da falha óssea foram feitos por impressão 3D e enviados sob condições estéreis para a cirurgia. A produção do molde, esterilização e o envio duraram quatro dias. Durante o procedimento, a prótese de PMMA foi confeccionada pelo molde, com o auxílio de uma prensa manual (ANCHIETA et al., 2016).

De acordo com Anchieta et al. (2016), o programa EximiusMed faz a sobreposição por espelhamento na imagem invertida, em seguida, a prótese virtual é reproduzida por meio de processo booleano – Figura 34.

FIGURA 34 – TRABALHO DE MODELAGEM 3D

FONTE: ANCHIETA et al. (2016).

LEGENDA: a) Representação 3D da TC antes da cirurgia. b) Processo de espelhamento do crânio.

Quando há dificuldades na correção da falha, o programa consegue selecionar uma tomografia semelhante num banco de dados. Nessa etapa do processo, são levadas em consideração a espessura, resistência e adaptação, além de tornar a peça ligeiramente maior que a falha, evitando a penetração acidental da prótese no cérebro. O programa Magics foi utilizado para a modelagem do molde, conforme mostra a Figura 35 (ANCHIETA et al., 2016).

FIGURA 35 – MODELAGEM DO MOLDE VIA PROGRAMA MAGICS

Fonte: ANCHIETA et al. (2016).

De acordo com Anchieta et al. (2016), para a fabricação do molde optou-se pela tecnologia de AM da 3D Systems com a utilização de um gesso modificado que não adere ao PMMA. Após esta etapa, foi executado um tratamento de superfície para dar resistência e o interior recebeu uma camada de isolante. A geometria do molde auxiliou a retirada do excesso de PMMA, através das bordas que delimitam o contorno da prótese. A esterilização foi feita por óxido de etileno e posteriormente o conjunto (molde e réplica da falha óssea) foi enviado ao hospital. Durante o procedimento, foi determinado o volume da prótese, o que permitiu calcular a relação de 1 cm³ por 1 g de PMMA a ser aplicado.

O molde foi utilizado pelo próprio cirurgião e por um assistente treinado para confeccionar a prótese em PMMA, seguindo as especificações. Para que a prótese adquirisse o formato planejado, uma prensa manual auxiliou no fechamento do molde. A Figura 36 ilustra o processo para confecção da prótese craniana e posterior implantação em ambiente cirúrgico. Na primeira etapa (Figura 36 (a)) foi preparado o PMMA, misturando os componentes. Na sequência, representado na Figura 36 (b), o PMMA foi colocado dentro do molde e as partes foram encaixadas, uma prensa manual serviu de auxílio para a confecção da prótese craniana. Na terceira etapa -

Figura 36 (c) verificou-se o resultado a partir do encaixe da prótese em PMMA no contorno da falha craniana do paciente. Por último, conforme Figura 36 (d), foi executada a implantação da prótese biocompatível.

FIGURA 36 – CONFECÇÃO DA PRÓTESE CRANIANA COM MOLDE NA CIRURGIA

FONTE: adaptada de ANCHIETA et al. (2016). LEGENDA: a) Preparação do PMMA.

b) Confecção da prótese em PMMA com auxílio da prensa. c) Verificação da prótese com o contorno de falha.

d) Implantação da prótese em PMMA no crânio.

Após a implantação da prótese craniana, foi realizada uma nova tomografia, com o objetivo de avaliar a adaptação da prótese no período pós-cirúrgico. De acordo com o estudo, o uso do molde personalizado para modelar a prótese de PMMA reduziu o tempo cirúrgico e os custos de produção (ANCHIETA et al., 2016).