Адаптация состава смесей биокополиэфиров для точной экструзии по размерам

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 20341 (2022) Цитировать эту статью

396 Доступов

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Производство плавленых нитей (FFF) представляет собой простую технологию аддитивного производства, применяемую в медицинском секторе для индивидуального лечения пациентов. Однако часто перерабатываемые биополимеры не обладают достаточной термической стабильностью, чтобы их можно было использовать в качестве вспомогательных устройств, таких как хирургические шаблоны. Целью данного исследования было оценить точность размеров экспериментальных смесей биокополиэфиров с улучшенными термическими характеристиками после печати, отжига и стерилизации. Всего было напечатано 160 квадратных образцов и 40 хирургических шаблонов для установки оральных имплантатов. Одна подгруппа каждого материала (n = 10) подвергалась термическому отжигу, а затем обе подгруппы подвергались паровой стерилизации (134 °C; 5 мин). Образцы были оцифрованы и рассчитано отклонение от исходного файла. Термическое поведение анализировали с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрического анализа. Для статистического анализа применялись однофакторный дисперсионный анализ и t-критерий (p <0,05). Все смеси биокополиэфиров показали коробление во время стерилизации паром. Однако модификация материала минеральными наполнителями (21–32 мас. %) и зародышеобразователями в сочетании с термическим отжигом показала существенное снижение коробления печатных квадратных образцов. Геометрия объекта печати, по-видимому, влияла на точность размеров, поскольку напечатанные хирургические шаблоны демонстрировали меньше искажений между группами. Таким образом, биокополиэфиры действительно выиграли от наполнителей и отжига для улучшения их размерной стабильности.

Процессы аддитивного производства (AM), такие как стереолитография (SLA) и цифровая световая обработка (DLP), все чаще применяются в стоматологической сфере. Одним из примеров является индивидуальное производство хирургических шаблонов для установки оральных имплантатов1. Эти процессы полимеризации в ваннах включают отверждение жидких фотополимерных смол ультрафиолетовым светом, что обеспечивает точное изготовление конечных изделий2. Однако напечатанные объекты требуют обширной последующей обработки в виде полоскания, промывания и светоотверждения3, и может произойти элюирование мономеров во влажной среде полости рта4. Весь производственный процесс требует опытного персонала, а оборудование и материалы являются дорогостоящими.

Напротив, изготовление плавленых нитей (FFF), также известное как моделирование методом наплавления (FDM), представляет собой экономически эффективный и простой метод AM5. Термопластичный материал подается в нагретое сопло, где он расплавляется и затем послойно наносится до тех пор, пока не будет построен конечный объект. Готовые детали не требуют дальнейшей очистки или светоотверждения. Применяемые материалы должны иметь низкую склонность к короблению, быстрое и стабильное сплавление наносимых слоев и хорошую адгезию к строительной платформе6,7.

Термопластические материалы, используемые для FFF, различаются по своей аморфной или полукристаллической природе8. В твердом состоянии ниже температуры стеклования они присутствуют в стеклофазе и поэтому проявляют хрупкие и твердые свойства. Аморфные полимеры не имеют определенной температуры плавления, но переходят в вязкое состояние при превышении температуры стеклования. Вязкость снижается в широком диапазоне температур, что упрощает обработку. Однако разница между температурой обработки и температурой стеклования у полукристаллических полимеров относительно велика, что приводит к большим трудностям при печати9.

Усадка происходит в процессе охлаждения, особенно из-за кристаллизации10,11. Коробление возникает в результате напряжения усадки, которое возникает при охлаждении слоя поверх уже охлажденного слоя. Чем больше разница температур между двумя слоями, тем выше коробление. Поэтому полимеры с повышенным содержанием кристаллов более склонны к усадке и короблению12. Так, для экструзионной печати применяют преимущественно аморфные полимерные сополимеры акрилонитрила, бутадиена и стирола (АБС) или поликарбонаты (ПК). Кроме того, широко используются полукристаллические термопласты с низкой кристалличностью и низкой скоростью кристаллизации, такие как полимолочные кислоты (PLA) или полигидроксиалканоаты (PHA)2,13,14,15. PLA и PHA относятся к биополимерам, которые предлагают широкий спектр источников сырья, что делает их доступными по низкой цене16. Они биоразлагаемы при определенных условиях и могут представлять собой устойчивую альтернативу одноразовым вспомогательным продуктам, таким как хирургические шаблоны для установки оральных имплантатов17. Однако из-за низкой кристалличности биополимеры не обладают такими же механическими свойствами и химической стойкостью, как полимеры с более высокой кристалличностью. Термический отжиг PLA после экструзионной печати может привести к увеличению кристалличности и, как следствие, к повышению механической прочности18. Кроме того, механические и термические свойства можно оптимизировать с помощью наполнителей, таких как диоксид кремния или натуральные волокна9,19. Что касается медицинского применения деталей, напечатанных методом FFF, таких как хирургические направляющие или медицинские инструменты, в стерильной среде, мало что известно о влиянии паровой стерилизации на точность размеров и кристалличность биополимеров, напечатанных методом экструзии. Высокая точность размеров напечатанных методом экструзии деталей, таких как хирургические направляющие, после стерилизации паром имеет решающее значение для использования в медицинской среде.