Obtención de filamentos compuestos de PCL/HA para la impresión 3D de soportes para reconstrucción ósea

HERNÁNDEZ, G. M.; TALOU, M. H.; FANOVICH, M. A.

Mar del Plata

Congreso; 20° Congreso Internacional de Metalurgia y Materiales SAM-CONAMET 2022; 2022

Durante las últimas décadas, se han desarrollado nuevas tecnologías de fabricación y se han sintetizado diversos materiales para tratar afecciones del tejido óseo. Hasta el momento sigue siendo un desafío lograr soportes con un alto grado de porosidad que puedan sustituir al hueso dañado. Los métodos tradicionales de fabricación, como los que emplean sustancias porógenas o espumantes, conllevan grandes dificultades tales como imposibilidad de controlar el tamaño de los poros e ineficacia para lograr una porosidad interconectada. En este contexto, desde hace algunos años se están utilizando nuevas tecnologías, como la impresión 3D, donde es posible no solo controlar el diseño (estructura geométrica del andamio), sino también la cantidad, tamaño, distribución e interconectividad de los poros. Uno de los materiales cerámicos más utilizados para la fabricación de andamios con aplicaciones biomédicas es la hidroxiapatita. Sin embargo, los métodos de impresión 3D disponibles en la actualidad no permiten una impresión directa de la cerámica, ya que sus temperaturas de fusión están por encima de los 2000°C, lo que está muy por encima del rango de las impresoras de modelado por deposición fundida (Fused Deposition Modeling, FDM). Esta tecnología de modelado por FDM se basa en 3 elementos principales: una placa de impresión en la que se imprime la pieza, una bobina de filamento que sirve de material de impresión y un cabezal de extrusión también llamado extrusor. En resumen, el filamento es aspirado y fundido por el extrusor de la impresora 3D, que deposita el material de forma precisa capa a capa en el lecho de impresión. Una opción posible para utilizar HA es incorporar este material como una fase más en un sistema compuesto de matriz polimérica como Policaprolactona (PCL) o Poliácido Láctico (PLA). De esta manera, trabajando con materiales compuestos, es posible obtener filamentos que pueden utilizarse en métodos de FDM. A partir de ellos, se pueden fabricar andamios con propiedades específicas, con alta complejidad estructural y flexibilidad en el diseño.En el presente trabajo se propone obtener soportes porosos compuestos de Policaprolactona (PCL) e Hidroxiapatita (HA) mediante FDM. Para ello, deben estudiarse las condiciones de preparación de los filamentos compuestos. Se analizó cómo influye la cantidad de HA (10, 20 y 40 %p/p) en la obtención de filamentos compuestos con PCL de uso comercial. En una primera etapa se prepararon los materiales compuestos PCL/HA en polvo, mediante un procedimiento de disolución/precipitación puesto a punto en trabajos previos. Básicamente, el proceso consiste en disolver PCL en acetona, adicionar las partículas de HA con agitación y enfriar, para finalmente precipitar el material mediante el agregado lento de agua. El material compuesto granulado se filtró y secó en estufa a 35°C.Se realizaron análisis termogravimétricos (TGA) de los materiales compuestos precipitados que permitieron determinar que el porcentaje de material cerámico contenido en cada muestra resultó aproximadamente igual que el formulado para los sistemas de partida. A partir de la caracterización de los materiales mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC) se observó un leve aumento en los valores de la temperatura de fusión de la matriz polimérica con el incremento del contenido de HA. Asimismo, se registró un marcado incremento de la cristalinidad del polímero en los materiales contienen un 40% m/m de HA, lo cual puede ser atribuido a que las partículas cerámicas actúan como sitios preferenciales de nucleación para la cristalización de PCL.La medición del índice de fluidez (Melt flow index, MFI) de las distintas composiciones preparadas permitió determinar la temperatura óptima de procesamiento de cada material con el fin de obtener filamentos de diámetro constante. Se observó que a mayor contenido de HA mayor era la temperatura del ensayo. Se logró obtener pequeños filamentos de los materiales compuestos (diámetro 1.95 mm y una longitud de 95 cm) y una primera impresión de una pieza en la impresora 3D.