1. O documento discute o desenvolvimento de um protótipo de gaiola de fusão intervertebral utilizando elastômeros líquido-cristalinos (LCEs).
2. Os LCEs foram fabricados via impressão 3D e apresentaram propriedades mecânicas adequadas após cristalização térmica in vivo.
3. O protótipo C10 mostrou melhor desempenho mecânico e capacidade de aderir à coluna vertebral, sugerindo potencial para tratamento de dor lombar.
4. 1. Introdução
A artrodese é um
procedimento realizado para
causar fusão óssea em uma
articulação, causando sua
imobilidade. A artrodese da
coluna é um método de
tratamento cirúrgico das
doenças da coluna vertebral
que causam instabilidade.
Figura 1. Representação de uma
gaiola de fusão intervertebral.
5. 1. Introdução
Alguns diagnósticos indicados para este procedimento:
• Espondilolistese;
• Instabilidade na coluna lombar;
• Escoliose do adulto;
• Artrose ou degeneração facetária;
• História de cirurgia prévia em coluna lombar;
• Estenose de canal vertebral;
• Fratura vertebral de origem traumática, neoplásica,
osteoporótica, infecciosa e/ou reumatológica.
6. 1. Introdução
As gaiolas de fusão
podem ter formas
variadas e são
comumente fabricadas
em titânio, aço
inoxidável e polímero
PEEK.
Figura 2. Diversos modelos de
gaiolas de fusão em polímero
PEEK.
8. 1. Introdução
Elastômeros
O que difere os
elastômeros dos
outros polímeros
é sua capacidade
de deformação e
retorno ao
tamanho original.
Figura 3. Imagem
representativa de Artefatos
em elastômeros.
Figura 4.
Representação
de estrutura
amorfo e semi-
cristalina em
elastômeros.
10. 1. Introdução
Elastômeros Líquido- Cristalinos
Propriedades
Elasticidade;
Baixa Fluência;
Resistencia a radiação e impacto;
Constante dielétrica baixa;
Termoplasticidade;
Anisotropia (mecânica, elétrica e optica);
Deformação Reversível.
11. 2. Objetivos
1. Discorrer uma visão geral sobre as propriedades e
aplicações de elastômeros líquidos-cristalinos
como biomateriais.
2. Apresentar as aplicações na área de ortopedia
destes biomateriais para manufatura de discos
intervertebrais para tratamento de dor lombar.
3. Expor as limitações do desenvolvimento deste
material, bem como as perspectivas de avanços
futuros.
12. 3. Metodologia
Preparo das Tintas de Impressão
• Síntese dos LC: reação de click entre tiol-acrilato e
mesógeno RM257 e mais dois espaçadores de ditiol - um
contendo apenas átomos de carbono entre tióis funcionais e
o outro sendo EDDET.
Figura 6. Reação de Click para síntese de líquido cristalinos.
13. 3. Metodologia
Preparo das Tintas de Impressão
• A reação foi deixada em repouso por pelo menos 10h
antes da remoção do solvente.
• O solvente foi removido derramando-se a solução em
uma folha fina de politetrafluoretileno (PTFE) e
aquecendo a 130 °C sob vácuo forte e cíclico por
várias horas.
• Os oligômeros secos foram então fundidos e
misturados no fotoiniciador HHMP.
14. 3. Metodologia
Impressão
• A resina cristalina é inserida em
uma extrusora por peletização e
fusão dentro de um barril
aquecido, com auxílio de vácuo.
• A temperatura do barril utilizada
foi de 20 a 30°C acima do ponto
de fusão da resina, variando então
de 90 a 110°C.
Figura 7. Imagem ilustrativa de
impressora 3D.
15. 3. Metodologia
Impressão
• As camadas foram ajustadas para 100 µm de
espessura e a velocidade de deslocamento do
bocal foi de 2 mms−1.
• Uma agulha de calibre 17 foi usada para extrudar a
resina, após o que uma matriz de diodos emissores
de luz (LED) de 365 nm foi usada para iniciar a
reticulação.
• As amostras foram pós-curadas por 10 minutos
imediatamente após a impressão em um forno UV
de 365 nm.
17. 3. Metodologia
Análise Mecânica
As propriedades mecânicas de cada amostra foram
avaliadas usando três testes - tensão uniaxial, compressão
uniaxial e Análise Mecânica Dinâmica.
Figura 8. Ilustração dos testes da esquerda para a direita: tensão uniaxial,
compressão e DMA.
18. 3. Metodologia
Análise Térmica
Calorimetria Diferencial de Varredura e Calorimetria
Diferencial de Varredura Modulada.
Figura 9. Ilustração do
funcionamento do teste
de DSC.
19. 4. Resultados e Discussão
Amostras utilizadas para cada teste termomecânico.
Figura 10. Tipos de
amostras utilizadas
para cada teste. A
direita de cima para
baixo, a amostra
para o teste de
compressão
ampliação e
protótipo C10
fabricado.
20. 4. Resultados e Discussão
Análise do Comportamento Térmico
Figura 11. Curvas DSC para os LCEs: a) antes e b) depois da reticulação,
demonstrando os pontos de Tm2 e Ti.
21. 4. Resultados e Discussão
Análise do Comportamento Térmico
Figura 12. Curvas de DSC representando o comportamento térmico
dinâmico-mecânico dos LCEs.
22. 4. Resultados e Discussão
Análise do Comportamento Mecânico
Figura 13. Curvas de compressão e tensão n uniaxial DMA para cilindros
LCE impressos em 3D nos estados cristalino e amorfo.
23. 4. Resultados e Discussão
Análise do Comportamento Mecânico
Figura 14. Curvas de DMA para LCEs amorfos submetidos a ao processo
de cristalização em função do tempo.
24. 4. Resultados e Discussão
Análise de Comportamento Térmico: C10
Figura 15. Curva
de DSC modulado para
amostra LCE C10.
25. 4. Resultados e Discussão
Análise de Comportamento Mecânico: C10 e protótipo
Figura 16. Teste de fadiga de carga cíclica para amostra cilíndrica impressa 3D e valores de
deslocamento de pico/vale para os ciclos incluídos na parte (a), bem como para um teste de fadiga
usando o protótipo.
26. 4. Resultados e Discussão
Sequência de imagens
demonstrando a
capacidade do protótipo
de aderir ao formato
impresso e retornar a sua
forma original após
aquecimento acima da
temperatura de fusão
cristalina.
Figura 17. Teste de Compressão uniaxial para C10.
27. 4. Resultados e Discussão
Figura demonstrando introdução do protótipo em
modelo vertebral rígido.
Figura 18. Inserção do protótipo em modelo de vertebra lombar.
28. 5. Conclusão
• Desenvolveu-se um protótipo de gaiola de
fusão intervertebral utilizando LCEs.
• Obteve-se um material macio durante o
processo de implantação que devido a suas
propriedades térmicas, cristaliza-se
adquirindo a rigidez necessária para suportar
cargas biológicas após algumas horas.
29. 5. Conclusão
• A amostra LCE C10 foi o material que apresentou
melhor desempenho, tendo um aumento de 30x no
módulo de tração e 50x no modulo de
armazenamento em comparação com o LCE C6 à
temperatura corporal.
• Além disso, o teste de fadiga em cargas fisiológicas
não resulta em deformação permanente do
protótipo e ocorre muito pouco efeito de catraca
ao longo de 1 milhão de ciclos.
30. 5. Conclusão
• Os LCEs não apresentam alterações de suas
propriedades quando implantados em
sistemas biológicos e nem efeitos adversos.
• Entretanto, a técnica de impressão 3D possui
um custo elevado e necessita de otimização
do processo de fabricação para produção em
larga escala.
31. 6. Referências
• SHAHA, Rajib K. et al. Biocompatible liquid-crystal elastomers
mimic the intervertebral disc. Journal of the mechanical
behavior of biomedical materials, v. 107, p. 103757, 2020.
• ULA, Sabina W. et al. Liquid crystal elastomers: an introduction
and review of emerging technologies. Liquid Crystals Reviews,
v. 6, n. 1, p. 78-107, 2018.
• VOLPEV, Ross H. et al. Dynamically crystalizing liquid‐crystal
elastomers for an expandable endplate‐conforming interbody
fusion cage. Advanced Healthcare Materials, v. 9, n. 1, p.
1901136, 2020.
