UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE FACULDADE DE ODONTOLOGIA
PROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS EXPERIMENTAIS
Niterói 2021
U
NIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE FACULDADE DE ODONTOLOGIAPROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS EXPERIMENTAIS
JOÃO LUIZ BITTENCOURT DE ABREU
Tese apresentada à Faculdade de Odontologia da Universidade Federal Fluminense, como parte dos requisitos para obtenção do título de Doutor, pelo Programa de Pós-Graduação em Odontologia.
Área de Concentração: Dentística.
Orientador: Prof. Dr. Eduardo Moreira da Silva
FICHA CATALOGRÁFICA
Ficha catalográfica automática - SDC/BNO Gerada com informações fornecidas pelo autor
Bibliotecário responsável: Debora do Nascimento - CRB7/6368 A162p Abreu, João Luiz Bittencourt de
PROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS EXPERIMENTAIS / João Luiz Bittencourt de Abreu ; Eduardo Moreira da Silva, orientador. Niterói, 2021.
36 f. : il.
Tese (doutorado)-Universidade Federal Fluminense, Niterói, 2021.
DOI: http://dx.doi.org/10.22409/PPGO.2021.d.13947187726 1. Cerâmica. 2. CAD. 3. Restauração adesiva. 4.
Produção intelectual. I. Moreira da Silva, Eduardo,
orientador. II. Universidade Federal Fluminense. Faculdade de Odontologia. III. Título.
CDD -
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho ao meu querido avô Edson (vovô Seta), que desde o meu ingresso na faculdade de odontologia em 2008 fazia questão de me chamar, de
“boca cheia”, de “Doutor João”. Foi um dos meus primeiros pacientes e um grande amigo que vive em meu coração.
AGRADECIMENTOS
À Deus pela oportunidade da Vida e ao meu Maestro Raumsol, criador da Logosofia, por me ensinar a vive-la de forma mais consciente.
À minha esposa Livia, minha maior companheira de todos os dias, esteve sempre ao meu lado com seu amor do início ao fim.
Aos meus pais, Murilo e Isabela, pelo suporte e amor incondicional desde sempre e para sempre. São a base de tudo.
Aos meus irmãos Gabriela e Felipe pelo apoio e amizade.
À Juju, nossa alegria mais pura.
Aos avós, tios, cunhados, sogros e amigos de sempre por tanto afeto e alegria.
Às gerações de dentistas da famíia, iniciada pelo meu bisavô João Figueiredo, pai da Dra. Eide, uma inspiração para todos nós.
Ao meu orientador Prof. Eduardo Moreira da Silva, pelos ensinamentos, por acreditar em mim e me ajudar a realizar uma das maiores experiências da minha vida com o
projeto de doutorado sanduíche em Nova Iorque.
Ao meu “pai” da odontologia prof. Ronaldo Hirata, pela amizade, confiança, conselhos, conversas de Vida e por abrir as portas da NYU para mim.
À minha “mãe” da odontologia profa. Katia Dias, quem sempre me guiou, desde a monitoria na Dentística-UFRJ em 2010, com sua doce docência e amizade.
To my NYU mentor Dr. Lukasz Witek for all the teachings, projects and for guiding me with his expertise in 3D printing.
Ao prof. Paulo Coelho por me abrir as portas do laboratório de biomateriais da NYU e me dar oportunidade de trabalhar e aprender em tantas pesquisas.
To my NYU friend prof. Dindo Mijares for all the support.
Ao meu grande amigo Ernesto pelo seu exemplo de luta e de vida, além de toda ajuda com a tese.
Aos professores da Dentística da UFF - Niterói por todo o aprendizado.
Aos meus colegas da Dentística – UFRJ pela amizade e aprendizado.
Aos meus amigos da UFF e da NYU pelo companheirismo, happy hours e convivência diária, tornando tudo mais leve.
Ao sr. José Maria por todo apoio técnico, ideias e bons papos.
Ao amigo Beto pelo apoio técnico.
Às queridas Creide e Léia por estarem sempre ali, pro que der e vier, para todos nós da Dentística - UFF.
Às minhas queridas auxiliares Márcia e Vilma pelo carinho e prontidão no dia a dia do consultório.
À Ivoclar Vivadent pelo suporte com materiais para esse trabalho.
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RESUMO
Abreu JLB. Processamento e caracterização de materiais cerâmicos experimentais.
[tese]. Niterói: Universidade Federal Fluminense, Faculdade de Odontologia; 2021.
O objetivo desse trabalho foi avaliar a viabilidade do processamento da cerâmica de dissilicato de Lítio a partir da técnica de impressão direta a jato de tinta (robocasting), testá-la mecanicamente e analisar sua microestrutura. Os grupos experimentais (n=30) foram divididos em: AR (aditivo/robocasting) e FS (fresagem/subtrativa). Para o grupo AR, preparou-se uma “tinta” obtida a partir da mistura de pó de cerâmica de dissilicato de Lítio com poliacrilato de amônia a 0,8% numa relação de 1:1. Após, foi adicionado hidroxipropil metilcelulose a 1% como viscosificante e polietilenimina a 0,1% para geleificação da mistura. Um modelo digital em forma de disco (d=16mm) foi produzido em um software, e o disco cerâmico foi impresso em impressora 3D a partir da tinta produzida com configuração de impressão de 10 camadas de 0,2mm com um anel externo, preenchido internamente no eixo “X” ou “Y” em cada camada.
Para o grupo FS, blocos cerâmicos pré-cristalizados foram cortados em uma cortadora de precisão, seguidos por brocas diamantadas do tipo “serra copo” até a obtenção de discos com 12,1mm de diâmetro e 1,21mm de espessura. Os discos de ambos os grupos foram cristalizados a 840ºC, atingindo dimensões finais de aproximadamente 12mm por 1,2mm. Os espécimes foram submetidos ao teste de resistência à flexão biaxial de 3 pontos (RFB) (n=30) em uma máquina de ensaios universal, utilizando uma célula de carga de 500N, e os valores da carga aplicada foram registrados (MPa) no momento da fratura. Imagens fractográficas dos espécimes (n=1) fraturados foram realizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) para verificação da origem da fratura e porosidade dos materiais. Os espécimes foram submetidos ao teste de dureza Vickers (GPa) (n=5) em um durômetro, com cinco indentações em cada espécime (1Kgf/15 s) em pontos espaçados de 500µm. Um espécime por grupo (n=1) foi levado à difratometria de raios-X (DRX) para análise química da fase cristalina dos materiais. Para RFB, o grupo AR obteve valores menores (128,02 ± 33,91) do que o grupo FS (325,09 ± 63,98). Para Vickers, o grupo AR também obteve valores menores (4,07 ± 0,30) do que o grupo FS (5,63 ± 0,14). Na análise por DRX, o grupo AR mostrou menor conversão de metassilicato de Lítio em dissilicato de Lítio do que o
grupo FS. Imagens de MEV mostraram a microestrutura da cerâmica do grupo AR mais porosa do que o grupo FS. Foi demonstrada a viabilidade da fabricação da cerâmica de dissilicato de Lítio por robocasting. No entanto, a cerâmica apresentou pior performance mecânica, que poderia ser explicada pela menor formação de cristais de dissilicato de Lítio após cristalização e maior porosidade na sua fabricação.
Palavras-chave: cerâmicas odontológicas, impressão 3D, biomateriais.
ABSTRACT
Abreu JLB. Processing and Characterization of experimental ceramic materials.
[thesis]. Niterói: Universidade Federal Fluminense, Faculdade de Odontologia; 2021.
The objective of this study was to evaluate the viability of manufacturing a Lithium disilicate ceramic by robocasting technique, testing its mechanical properties and analyzing its microstructure. The experimental groups (n=30) were divided in: AR (additive/robocasting) and FS (milled/subtractive). For AR group, an ink was prepared, obtained through the mixture of Lithium disilicate ceramic powder with 0.8%
ammonium polyacrylate in a 1:1 relation. Then, 1% hydroxypropyl methylcellulose was added as a viscosifying agent and 0.1% polyelectrolyte to gel the slurry. A digital model in a disc shape was created in a software, and the ceramic disc was printed from the fabricated ink with a 3D printer, in a printing setup of 10 layers of 0.2mm with an external ring, filled inside in the “X” or “Y” axis in each layer. For FS group, pre crystallized ceramic blocks were cut in a precision saw, followed by a diamond hole saw, until the obtention of discs with 12.1mm diameter and 1.21mm thickness. The discs from both groups were crystallized at 840º C, reaching final dimensions of approximately 12mm x 1,2mm. The specimens were submitted to 3-point bending test (BFS) (n=30) in a universal testing machine, using a cell load of 500N, and the values of the recorded load were registered (MPa) in the moment of the fracture.
Fractographic images of the specimens (n=1) were taken by scanning electron microscopy (SEM) to analyze the fracture origin and the materials porosity. The specimens were submitted to a Vickers hardness test (values in GPa) in a hardness testing machine, with 5 indentations in each specimen (load of 1Kgf/15s) in points spaced by 500µm. One specimen per group (n=1) was submitted to x-ray diffractometry (XRD) for the chemical analysis of the crystalline phase of the materials.
For BFS, AR group had lower values (120.02 33.91) than FS group (325.09 63.98).
For Vickers, AR group also had lower values (4.07 0.30) than FS group (5.63 0.14).
For XRD analysis, AR group showed lower conversion of Lithium metasilicate to Lithium disilicate than FS group. SEM images showed that the ceramic microstructure
from AR group was more porous than FS group. The viability of the fabrication of the Lithium disilicate ceramic by robocasting was demonstrated. However, the ceramic presented worse mechanical performance, what could be explained by the lower formation of Lithium disilicate crystals and a higher porosity during its manufacturing.
Keywords: dental ceramics, 3D printing, biomaterials.
SUMÁRIO
Pág.
1- INTRODUÇÃO 02
2- PROPOSIÇÃO E HIPÓTESE 05
3- MATERIAL E MÉTODOS 06
4- RESULTADOS 11
5- DISCUSSÃO 16
6- CONCLUSÕES 22
7- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 23
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1. INTRODUÇÃO
A tecnologia digital teve grande impacto na Odontologia.(1) O processo atual de fabricação de restaurações cerâmicas está muito voltado para a evolução da tecnologia CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing). Com os primeiros trabalhos publicados no final da década de 80,(2, 3) hoje, após mais de trinta anos, os sistemas modernos de CAD/CAM são uma realidade para a prática odontológica diária,(4, 5) permitindo que através do escaneamento de um preparo dental, um modelo digital da restauração seja confeccionado e, a partir deste, a restauração seja confeccionada através da usinagem de um bloco cerâmico específico em termos de cor e translucidez. As principais vantagens dos sistemas CAD/CAM foram descritas na literatura e envolvem a possibilidade de realizar moldagens, obter modelos e articular as arcadas de forma digital. Estes avanços permitem eliminar erros ligados as distorções dos materiais de moldagem e modelagem, bem como uma substancial redução no tempo total de trabalho. Somam- se a estes uma melhor adaptação marginal da restauração e a possibilidade de ajustes mais precisos da peça.(4)
As restaurações cerâmicas produzidas pela técnica CAD/CAM podem ser processadas a partir de blocos total ou parcialmente sinterizados/cristalizados. A principal vantagem na utilização destes últimos repousa na diminuição da propagação de microtrincas durante a usinagem.(6) Independente deste aspecto, a propagação de trincas durante o desgaste da cerâmica e a impossibilidade de estratificação e utilização de diferentes tipos de cerâmicas numa só restauração ainda são consideradas como desvantagens no processamento por sistemas CAD/CAM. Além destas, e altamente relevante, o desperdício de material proveniente dos blocos usinados é um aspecto que ainda precisa ser reduzido.(4)
O processo aditivo de CAD/CAM, também conhecido como impressão 3D, já foi utilizado com sucesso com materiais poliméricos e metálicos.(7-9) Uma das técnicas de fabricação aditiva de materiais poliméricos e cerâmicos é através da estereolitografia. Neste processo, primeiramente é criado um arquivo digital e então o material é construído camada por camada através de fotopolimerização. Zimbeck et al.(10) testaram a utilização da cerâmica de dissilicato de Lítio a partir dessa técnica, onde o pó de dissilicato de Lítio foi disperso em resina fotopolimerizável para permitir
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sua construção aditiva em camadas, com posterior cristalização. O material obtido apresentou propriedades mecânicas 25% menores do que as de um material comercial similar.(10) Outros trabalhos evidenciaram que a impressão 3D pode ser aplicada também com cerâmicas através do processo chamado robocasting ou impressão direta a jato de tinta.(11-13) Nesse processo, descrito por Silva et al.,(12) uma “tinta” é preparada a partir de um pó de cerâmica dissolvido em solução aquosa de poliacrilato de amônia a 0,8%, além de um agente viscosificante. Ao final, um polieletrólito é adicionado para gelificar a mistura. O modelo da restauração final é fatiado em diversas partes e então essa mistura é depositada camada por camada.
Exemplos de restaurações dentárias experimentais produzidas por robocasting estão dispostas na Figura 1.(12, 13) Segundo Ebert et al, dentre as técnicas aditivas para fabricação de estruturas cerâmicas, esta é a única que possibilitaria a obtenção de um corpo cerâmico denso e sem porosidades.(11) De acordo com Vandeperre et al.,(14) apenas essa técnica permitiria a confecção de estruturas cerâmicas complexas com alta resistência e baixa porosidade.
Figura 1. Exemplos de restaurações experimentais impressas por robocasting. A e B:
núcleos de Zirconia e Alumina reportados por Silva et al, 2011. C: Laminados oclusais ultra-finos reportados por Ioannidis et al, 2020.
Uma das possíveis vantagens que poderia ser alcançada com a técnica de impressão 3D empregando materiais cerâmicos é o controle da distribuição espacial de diferentes materiais na mesma infraestrutura, o que permitiria mimetizar as características ópticas da estrutura dentária a ser substituída.(12) Outros benefícios seriam o maior controle da superfície interna da peça e de sua forma, bem como a geração de um menor nível de microtrincas, com consequente melhorias nas propriedades mecânicas da peça produzida.(12) No entanto, o principal desafio para o emprego do processo aditivo na produção de peças protéticas cerâmicas é o
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desenvolvimento de materiais passíveis de impressão digital. Neste campo, um estudo prévio mostrou bons resultados empregando a impressão 3D com materiais a base de cerâmicas policristalinas reforçadas com Alumina e Zircônia.(12)
Apesar de apresentarem propriedades mecânicas superiores, a ausência de fase vítrea faz com que as cerâmicas policristalinas sejam classificadas como biomateriais inertes ao tratamento com ácido hidrofluorídrico, passo importante no processo de retenção com a superfície do preparo dental. Em sentido inverso, cerâmicas vítreas reforçadas por dissilicato de Lítio são materiais susceptíveis a técnica do condicionamento ácido, além de apresentarem características ópticas mais próximas dos tecidos dentais.(15) Em um estudo anterior, Zimbeck et al. produziram estruturas de cerâmicas vítreas de dissilicato de Lítio através da técnica de estereolitografia, com desempenho mecânico foi insatisfatório em relação à técnica subtrativa.(10) No entanto, Baumgartner et al. reportaram a fabricação da cerâmica de dissilicato de lítio por estereolitografia com bons resultados mecânicos de resistência flexural e dureza. Considerando que não foram encontradas referências do emprego da técnica de impressão direta a jato de tinta (robocasting) para a produção deste tipo de material cerâmico, concluiu-se relevante o desenvolvimento do presente trabalho.
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2. PROPOSIÇÃO E HIPÓTESE
Os objetivos do presente trabalho foram:
1. Avaliar a viabilidade do processamento da cerâmica de dissilicato de Lítio a partir da técnica de impressão direta a jato de tinta (robocasting).
2. Caracterizar a microestrutura das cerâmicas produzidas pelas duas técnicas.
3. Avaliar o comportamento mecânico das cerâmicas produzidas pelas duas técnicas.
As hipóteses deste trabalho foram:
1. É possível imprimir a cerâmica de dissilicato de lítio a partir da técnica de impressão direta a jato de tinta (robocasting).
2. A cerâmica fabricada de forma aditiva apresentará performance mecânica similar à produzida pela técnica subtrativa.
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3. MATERIAL E MÉTODOS
3.1 Preparo das Amostras e Grupos Experimentais
Os grupos experimentais (n=30) estão dispostos na Figura 2. Para o grupo processado pela técnica aditiva/robocasting (AR), um modelo digital em formato de disco com 16 mm de diâmetro por 1,6mm de espessura foi produzido em um software para impressão 3D (RobCAD 4, 3D Inks, LLC, Tulsa, OK, EUA), em uma configuração de impressão em 10 camadas de 0,2mm com um anel externo, preenchido internamente no eixo “X” ou “Y” em cada camada. As dimensões do disco foram calculadas levando em conta a compensação da contração volumétrica de cristalização de 25% em diâmetro (calculada em estudo piloto), atingindo as dimensões finais dentro do padrão definido pela ISO 6872:2015 (12mm por 1,2mm) para testagem mecânica de materiais cerâmicos.
Blocos cerâmicos de dissilicato de lítio para CAD/CAM (IPS e.max CAD, Ivoclar Vivadent) foram triturados em partículas menores e então levados a moagem em um moinho de bolas com esferas de aço inox para obtenção do pó cerâmico. O pó então foi peneirado em peneiras micrométricas sequenciais até atingir o tamanho médio entre 20 e 40μm. O tamanho ideal das partículas foi determinado em estudo piloto prévio.
Em sequência, foi preparada uma “tinta” obtida a partir da mistura de pó de cerâmica reforçada por dissilicato de Lítio com poliacrilato de amônia a 0,8% numa relação de 1:1.(12) Após, foi adicionado hidroxipropil metilcelulose a 1% como viscosificante e polietilenimina a 0,1% para geleificação da mistura.(12) A tinta produzida foi depositada em camadas imersas em óleo de parafina para estabilização, a partir de uma impressora 3D (3D Inks, LLC, Tulsa, OK, EUA), utilizando o modelo digital criado previamente até a obtenção dos discos cerâmicos. Posteriormente, os discos foram desidratados em estufa a 37ºC por 24 horas e então levados a completa cristalização em forno específico (Programat S1, Ivoclar Vivadent, Schaan, Liechtenstein). A sequência de fabricação dos espécimes do grupo AR está disposta na Figura 3.
No grupo processado por fresagem (subtrativa) – (FS), cilindros cerâmicos com 12,1 mm de diâmetro foram produzidos através do corte, sob refrigeração, de blocos cerâmicos de dissilicato de Lítio pré-cristalizados (e.max CAD,
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Ivoclar Vivadent) em blocos menores de 1,3mm de espessura em uma cortadora de precisão (Isomet, Buehler, IL, EUA), seguido do corte com broca diamantada do tipo
“serra copo”, com 12,3mm de diâmetro interno, em baixa velocidade. Os discos foram posteriormente levados a completa cristalização no mesmo forno utilizado para o grupo AR. Os valores dimensionais calculados levaram em conta a contração volumétrica de cristalização de 0,2 a 0,4%, de acordo com instruções do fabricante.
Todos os espécimes foram polidos sob irrigação abundante em uma politriz com lixas sequenciais de carbeto de silício #400, #600, #800 e 1200# até o alcance da espessura final desejada de 12x1,2mm. A sequência de fabricação dos espécimes do grupo AR está disposta na Figura 4.
Grupos Tratamento da dentina
AR Impressão direta a jato de tinta –
(robocasting) + Cristalização a 840º C FS (Controle) Corte de bloco pré-cristalizado +
Cristalização a 840º C
Figura 2. Grupos experimentais de acordo com o processo de fabricação da cerâmica.
Figura 3. Sequência de fabricação dos espécimes do grupo AR. A: bloco de e.max CAD pré-cristalizado; B: esferas de aço inox para moagem em moinho de bolas; C:
pó de cerâmica de dissilicato de lítio após moagem; D: modelo digital com os
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parâmetros de impressão definidos; E-H: sequência de impressão dos discos cerâmicos.
Figura 4. Sequência de fabricação dos espécimes do grupo FS. A: bloco de e.max CAD pré-cristalizado; B: cortadora de precisão; C: broca do tipo “serra copo”; D: disco cerâmico pré-cristalizado.
3.2 Resistência flexural
O teste de flexão biaxial em bola sobre três pontos foi utilizado para avaliação de resistência flexural em uma máquina de ensaios mecânicos universal (Instron 5966, Instron, MA, EUA), utilizando um dispositivo de pistão-em-três-bolas (Odeme, SC, Brazil) (Figura 5A), de acordo com a normativa ISO 6872:2015 para testagem de materiais cerâmicos. Foi utilizada uma célula de carga de 500N e velocidade de deslocamento de 0,5 mm/min até a fratura. A resistência à flexão (MPa) foi obtida com base na carga máxima final (N) no momento da ruptura dos espécimes, utilizando as seguintes equações:
σ = - 0,2387 P (X – Y) / b 2
X = (1 + v) Ln (r2 / r3) 2 + [(1 – v) / 2] (r2 / r3) 2 Y = (1 + v) [1 + Ln (r1 / r3) 2] + (1 - v) (r1 / r3) 2
Onde σ = resistência à flexão biaxial; P = carga de fratura (N); b=
espessura do disco na região da fratura (1,2 0,2mm); v= coeficiente de Poisson (0,25); r1= raio do círculo de suporte (5,5 mm); r2= raio da área de carga (0,75 mm);
e r3= raio do espécime (6 mm). (16)
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3.3 Dureza (Vickers)
Fragmentos obtidos de cada disco cerâmico fraturado, produzidos pelas duas técnicas de processamento (n = 5), foram levados a um durômetro (Micromet 5104, Buehler, IL, EUA) para teste de avaliação de dureza Vickers das superfícies cerâmicas, com cinco indentações em cada espécime (carga de 1Kgf/15 s) em pontos espaçados de 500µm (Figuras 5B e 5C).
Figura 5. Testes mecânicos. A: Dispositivo para flexão biaxial em 3 pontos. B:
momento da indentação Vickers no espécime fraturado; C: imagem representativa da indentação Vickers.
3.4 Fractografia por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
Imediatamente após fratura, os espécimes (Figura 6A) foram observados em microscópio eletrônico de varredura (Zeiss EVO 50 SEM, Jena, Alemanha) para análise da origem da fratura e presença de porosidades. Os discos foram posicionados em um porta amostras com redução de carga (Figuras 6B e 6C) e observados em ambiente de alto vácuo. Foram obtidas imagens transversais da região de fratura com aumentos de 80, 150 e 500X, no modo de elétrons secundários, utilizando 10 kV de aceleração. As áreas específicas da origem das fraturas foram observadas com aumento de 500X.
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Figura 6. Microscopia eletrônica de varredura. A: espécimes fraturados. B-C:
espécimes posicionados em porta-amostras com redução de carga.
3.5 Difratometria de Raio X (DRX)
Fragmentos obtidos de cada espécime, produzidos pelas duas técnicas de processamento (n = 1), além do espécime para o grupo AR antes da cristalização, foram analisados através de difratometria de raios-X (Difratômetro AXS D8 Advance, Bruker, MA, EUA) (Figura 6). Os padrões de difração foram coletados com radiação de Cu-Kα, 40 kV e 40 mA, um passo angular de 0,0194 e contagem de 0,5 segundos por passo, usando um detector PSD (AXS LynexEye, Bruker). As fases cristalinas presentes nos fragmentos foram identificadas pelos dados do Centro Internacional de Difração (ICDD).
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Figura 6. Difratômetro de raios-X.
3.6. Análise dos Resultados
O teste Kolmogorv-Smirnov foi realizado para avaliar a normalidade dos dados. Após a verificação da distribuição normal dos dados, as diferenças entre os grupos foram analisadas em um modelo de análise mista utilizando o software para análise estatística (SPSS, IBM, NI, EUA) em um intervalo de confiança de 95% (p <
0,05).
4. RESULTADOS
4.1. Resistência à flexão biaxial (RFB)
Os resultados obtidos para resistência à flexão biaxial estão descritos na Tabela 1. Os valores médios variaram entre 128,02 e 325,09 MPa. O grupo AR apresentou menores valores de resistência à flexão biaxial em relação ao grupo FR (p=0.00).
Tabela 1. Valores médios de resistência flexural DP
Grupo Resistência Flexural (MPa)
FS 325,09 ± 63,98
AR 128,02 ± 33,91
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4.2. Dureza (Vickers)
Os resultados obtidos para o teste dureza Vickers estão descritos na Tabela 2. Os valores médios variaram entre 4,07 e 5,63 GPa. O Grupo AR apresentou menores valores de dureza Vickers em relação ao grupo FS (p=0,00).
Tabela 2. Valores médios de Dureza ± DP Grupo Dureza (Vickers) (GPa)
FS 5,63 ± 0,14
AR 4,07 ± 0,30
4.3. Fractografia por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
Imagens representativas indicando a origem da fratura e nível de porosidade dos espécimes fraturados dos dois grupos testados estão apresentadas nas Figuras 8 e 9. É possível identificar a origem da fratura nas imagens ampliadas em 500X. Uma microestrutura com presença abundante de porosidades foi encontrada nas imagens do grupo AR, enquanto uma estrutura mais densa e uniforme foi encontrada no grupo FS. No grupo AR, ficou evidenciado que a fratura se inicia em uma das porosidades na parte central do espécime.
Figura 8. Imagens representativas de MEV de fragmentos de um disco fraturado após teste de RFB do grupo FS nos aumentos de 80X (A), 150X (B) e
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500X (C). A seta branca indica a origem da fratura. A setas pretas indicam as linhas de propagação da fratura (“arrest lines”).
Figura 9. Imagens representativas de MEV de fragmentos de um disco fraturado após teste de RFB do grupo AR nos aumentos de 80X (A), 150X (B) e 500X (C). Setas pretas indicam a linha de fratura partindo de dentro da porosidade.
4.4. Difratometria de Raio X (DRX)
A espectroscopia da análise por DRX do grupo AR antes (estado verde) e após a cristalização e do grupo FS estão ilustrados nas Figuras 10 a 12. Picos dominantes referentes a fases cristalinas podem ser observados em diferentes angulações. Os principais picos observados foram referentes ao metassilicato de Lítio (Li2O-SiO2), dissilicato de Lítio (Li2O-2SiO2) e orto-Fosfato de Lítio(Li3PO4).(17) O grupo AR, após cristalização à 840º C, apresentou dominância de picos referentes ao metassilicato de Lítio, enquanto o grupo FS apresentou dominância referente ao dissilicato de Lítio. Antes da cristalização do grupo AR observou-se presença apenas de metassilicato e orto-fosfato de Lítio, que são as estruturas cristalinas esperadas em cerâmica pré-cristalizadas ou cristalizadas em baixa temperatura.(17)
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Figura 10. Espectroscopia do teste de DRX para o do grupo AR antes (estado verde) da cristalização. Círculos se referem ao metasilicato de lítio e estrela ao orto-Fosfato de Lítio.
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Figura 11. Espectroscopia do teste de DRX para o grupo AR após a cristalização.
Círculos se referem ao metassilicato de lítio, quadrados ao dissilicato de lítio e estrela ao orto-Fosfato de Lítio.
Figura 12. Espectroscopia do teste de DRX para o grupo FS. Círculos se referem ao metassilicato de lítio e quadrados ao dissilicato de lítio.
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5. DISCUSSÃO
A técnica aditiva ou impressão 3D, usada para a fabricação de materiais cerâmicos tem, nos últimos anos, atraído a atenção de muitos estudos, principalmente por conta de algumas potenciais importantes vantagens com relação à técnica subtrativa, como a economia de material, a menor propagação de trincas durante a fabricação da restauração e a possibilidade de estratificar diferentes materiais numa mesma restauração. (12, 18)
O presente estudo teve como um dos seus objetivos avaliar a viabilidade da impressão da cerâmica de dissilicato de Lítio através da impressão direta a jato de tinta, uma vez que um estudo anterior determinou como principal desvantagem dessa técnica o fato de ela ser “limitada a materiais que possam ser manipulados na forma de tinta”.(18) Um dos aspectos mais importantes durante a produção de um material
“printável” é a adequação das suas propriedades reológicas, isto é, com relação à viscosidade e ao escoamento.(19) Tais propriedades devem avaliadas para uma adequada impressão 3D, seja pela técnica da estereolitografia (20) ou pela técnica de impressão direta a jato de tinta (robocasting),(21) a qual foi usada no presente trabalho.
Durante a produção da tinta cerâmica de dissilicato de Lítio em nosso trabalho, adicionou-se à mistura, além do pó cerâmico e água destilada, um dispersor de partículas, um polieletrólito e um agente viscosificante.(12) A escolha e a proporção entre esses materiais foi baseada em um cálculo realizado em um estudo prévio feito por Silva et al.(12) Para tal cálculo, foi necessária a avaliação prévia da densidade do pó obtido a partir da moagem da cerâmica, além de um estudo piloto para determinar a exata proporção entre os componentes da mistura para conferir propriedades reológicas mais próximas do ideal. Alguns parâmetros ideais que devem ser atingidos para impressão de cerâmicas por robocasting são: a extrusão da tinta pela seringa com pressão moderada, a manutenção da forma sólida logo após a deposição, deformar minimamente e produzir uma estrutura densa após sinterização.(18) Para garantir essas propriedades, a tinta ideal deve apresentar um comportamento pseudoplástico (sua viscosidade diminui a medida em que aumenta a tensão de cisalhamento) e uma viscosidade moderada.(18)
A partir da fórmula encontrada em nosso trabalho, verificou-se viável a impressão direta a jato de tinta da cerâmica de dissilicato de Lítio, confirmando a
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primeira a hipótese testada. Uma vez que o material experimental produzido pela técnica aditiva não apresentou a mesma performance que o produzido pela técnica subtrativa, a segunda hipótese foi rejeitada.
Apesar do campo de impressão 3D de cerâmicas odontológicas para restaurações ainda ser incipiente, diversas técnicas de impressão 3D foram avaliadas para a produção de cerâmicas como substitutos ósseos customizados.(22-25) Dentre elas, um estudo concluiu que apenas as técnicas de estereolitografia e robocasting foram avaliadas como passíveis de reproduzir estruturas complexas e individualizadas, sendo consideradas técnicas promissoras para fabricação de cerâmicas para substituir tecidos ósseos.(24)
Com relação ao uso da estereolitografia para fabricação de materiais odontológicos, a maioria dos estudos está direcionada para materiais poliméricos.(26) Uma revisão sistemática avaliou que apenas 9 de 47 estudos sobre estereolitografia na base de dados da literatura estão relacionados à fabricação de estruturas cerâmicas. (26) Apesar de ser considerada uma técnica com excelente potencial para fabricação de materiais cerâmicos, um importante desafio da estereolitografia é a baixa resolução na produção de cerâmicas em estado pré-cristalizado por conta do espalhamento de luz (light scattering) durante a fotopolimerização. Apesar desse fator, relatou-se possível a fabricação de coroas de molares em alta precisão em um estudo prévio.(27)
Diferentemente da estereolitografia, a técnica de impressão direta a jato de tinta ou robocasting utiliza a deposição direta de cerâmica, camada por camada, sem o uso de fotopolimerizção, o que evita a necessidade de compensar o espalhamento de luz durante a fotopolimerização. Essa técnica foi descrita com potenciais vantagens para fabricação de materiais cerâmicos complexos, com alta resolução, resistência e baixa porosidade.(11, 28)
Apesar das vantagens já mencionadas da técnica aditiva de fabricação de materiais cerâmicos com relação às propriedades óticas (possibilidade de estratificação em camadas) e superficiais (resolução de impressão), uma preocupação prática que merece atenção é com relação ao comportamento mecânico do material, principalmente quando comparados à técnica subtrativa, a partir da fresagem de blocos de CAD/CAM. Portanto, em nosso estudo, além da avaliação de importantes propriedades mecânicas do material fabricado, foi feita a comparação dos resultados com cerâmicas fabricadas pelo método subtrativo (fresagem de blocos pré-
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cristalizados). De forma geral, a cerâmica fabricada de forma aditiva apresentou piores propriedades mecânicas, tanto para resistência flexural como para dureza Vickers, em relação à técnica subtrativa. Em um estudo anterior, em que comparou-se uma cerâmica de Alumina impressa através de estereolitografia com Alumina fresada por CAD/CAM, a técnica aditiva apresentou propriedades mecânicas de dureza (15.5 GPa) e resistência flexural promissoras (709 MPa) , porém necessitando de melhoras em sua estrutura, principalmente com relação à porosidade.(26, 29)
Outro estudo avaliou a precisão dimensional e adaptação de coroas de Zirônia e Alumina impressas por estereolitografia e comparou com coroas de Zirconia fresadas por CAD/CAM. As coroas impressas apresentaram alta estabilidade dimensional e adaptação marginal dentro dos limites clínicos aceitáveis.(30) A impressão 3D por estereolitografia também foi previamente utilizada para fabricação de laminados oclusais ultra-finos de Zircônia e comparados com a técnica subtrativa de CAD/CAM. As restaurações impressas sobreviveram aos ciclos de ciclagem termo- mecânica e apresentaram valores de suporte de carga (load-bearing) aceitáveis clinicamente, apesar de terem sido menores do que os valores encontrados para a Zircônia fabricada pela técnica subtrativa.(13)
Com relação à impressão direta a jato de tinta (robocasting), estudos prévios avaliaram algumas propriedades das cerâmicas fabricadas, como viscosidade,(31) análise de veracidade (trueness) 3D,(32) ou descrição do processo de fabricação(12). Um outro estudo comparou propriedades mecânicas como desgaste, dureza, tenacidade a fratura e resistência flexural de uma Zircônia fabricada por impressão direta a jato de tinta com a técnica subtrativa.(33) Esta última apresentou todas as propriedades mecânicas testadas superiores em relação à técnica de robocasting. Uma das justificativas dos autores para tal resultado foi uma maior densidade e menor porosidade residual encontradas na Zircônia fabricada a partir do método subtrativo.(33)
A técnica de impressão por robocasting foi anteriormente usada para fabricar restaurações dentárias em Zircônia e comparada com a técnica de fabricação por compressão unidirecional com relação a propriedades tribológicas, isto é, com relação a desgaste e atrição, em simulação de mastigação. Apesar de não terem sofrido maior desgaste durante a simulação de mastigação, as cerâmicas fabricadas por robocasting apresentaram maior porosidade e rugosidade, além de menor dureza e tenacidade à fratura em relação à técnica de fabricação por compressão.(34)
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Em um estudo prévio, a cerâmica de dissilicato de lítio foi fabricada por estereolitografia e altos valores de resistência flexural biaxial (430 MPa) e dureza Vickers (6,75 GPa) foram encontrados, o que foi relacionado a uma alta densidade e qualidade superficial do material, com ausência de falhas.(35) No entanto, as propriedades mecânicas inferiores de resistência flexural biaxial (128 MPa) e dureza (4,07 GPa) encontradas no material fabricado por robocasting no presente estudo poderiam ser explicadas por alguns fatores. Em um estudo prévio utilizando a mesma técnica de impressão, Feilden et al descreveu quatro fatores que seriam possíveis justificativas das propriedades mecânicas limitadas encontradas para uma cerâmica experimental ,a base de Alumina, fabricada em seu estudo: poros residuais encontrados após a sinterização do material; bolhas, aglomerados ou contaminações;
ar aprisionado entre os filamentos de impressão; defeitos de superfície.(36) Observando as imagens da análise por microscopia eletrônica de varredura no presente estudo (Figuras 8 e 9), é possível visualizar maior porosidade na microestrutura no grupo AR, inclusive com a linha de fratura iniciando-se dentro da porosidade. Esse tipo de linha de fratura ou “wake hackle” foi definido em um estudo prévio como a trinca que parte de dentro de uma irregularidade ou porosidade da superfície do material, indicando a direção da propagação da trinca.(37, 38) Em contrapartida, o grupo FS, que apresentou uma microestrutura mais densa e homogênea, apresentou linhas de propagação ou “arrest lines”, que, de acordo com estudo prévio, podem ser definidas como linhas que partem da área mais côncava do espécime e que aparecem geralmente após uma pausa na propagação da trinca, mudando ligeiramente a sua direção.(38)
De acordo com o fabricante e de alguns estudos prévios,(17, 39, 40) os valores médios de resistência flexural encontrados para a cerâmica de dissilicato de Lítio fresado em sistema CAD/CAM (e.max CAD, Ivoclar Vivadent) estão em torno de 360 MPa. Estes valores estão próximos aos valores encontrados para o grupo FS em nosso estudo (325,09 ± 63,98 MPa), enquanto o grupo AR apresentou valores 61%
menores (128,03 33,91 MPa). Com relação à dureza Vickers, os valores informados pelo fabricante são em torno de 5,8 2,0 GPa, e também se aproximam aos valores encontrados no presente estudo para o grupo FS (5,63 1,47 GPa), enquanto o grupo AR apresentou valores aproximadamente 28% menores (4,07 3,01 GPa). Um estudo
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prévio avaliou a dureza Vickers da cerâmica de dissilicato de lítio fresado (IPS e.max CAD) e reportou valores de aproximadamente 596 VHN (5,84 GPa).(40)
Um dos aspectos da análise química do dissilicato de Lítio por DRX é a possibilidade de avaliar a conversão de estruturas cristalinas de metassilicato de Lítio (Li2O-2SiO2) em dissilicato de Lítio (Li2O-SiO2) após completa cristalização do material em alta temperatura.(17, 41) Segundo Lien et al., a rede de cristais do metassilicato de Lítio pode ser considerada como uma “malha porosa”, além de ser uma estrutura menos estável termodinamicamente do que o dissilicato de Lítio.(17) Em nosso estudo, a análise por DRX evidenciou maior predominância de metassilicato de Lítio para a fase cristalina do grupo AR, enquanto o grupo FS demonstrou maior predominância de dissilicato de Lítio. Essa “malha porosa” relacionada ao metassilicato de lítio pode ser confirmada visualmente ao observar a presença de porosidades na imagem representativa de um disco fraturado do grupo AR (Figura 9).
Um estudo indicou que um dos fatores que poderiam influenciar a maior conversão de dissilicato em metasilicato de lítio é o tipo de tratamento térmico usado, onde temperaturas acima de 780º C resultaram em maior conversão.(41) Em nosso trabalho, ambos os grupos foram cristalizados à temperatura (840º C) de acordo com as recomendações do fabricante da cerâmica usada para o grupo FS. No entanto, a conversão em dissilicato de lítio foi baixa para o grupo AR. Esse achado poderia sugerir que outros protocolos de tratamentos térmicos poderiam ser testados em futuros estudos para avaliar a formação de cristais de dissilicato de lítio em cerâmicas impressas por robocasting. A fase cristalina com maior presença de metassilicato de Lítio no grupo AR foi possivelmente um dos fatores que explicariam a menor performance mecânica desse material experimental em relação ao grupo controle.
Esse estudo demonstrou um método viável e reproduzível em futuros estudos para a impressão da cerâmica de dissilicato de Lítio pela técnica da impressão direta a jato de tinta. Apesar das propriedades mecânicas testadas não terem se mostrado semelhantes à técnica subtrativa, esse estudo poderá ser um importante ponto de partida para futuras investigações para aprimoramento do método de fabricação. Os próximos passos essenciais para a evolução dessa técnica em novos trabalhos seriam: i) um novo estudo das propriedades reológicas da tinta para impressão da cerâmica de dissilicato de Lítio; ii) desenvolvimento de um método de impressão mais padronizado, com menos falhas ou porosidades no material; iii)
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impressão de restaurações dentárias, como coroas ou coppings, para avaliar a precisão superficial obtida com essa técnica.
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6. CONCLUSÕES
O presente estudo teve como principais conclusões:
i) A viabilidade da fabricação da cerâmica de dissilicato de Lítio pela técnica de impressão direta a jato de tinta (robocasting) foi demonstrada.
ii) As propriedades mecânicas dos discos cerâmicos impressos foram inferiores aos discos fresados.
iii) A cerâmica de dissilicato de Lítio fabricada pelo método aditivo (impressão 3D) apresentou importantes diferenças micro estruturais com relação à fabricada pelo método subtrativo (fresagem).
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