PMMA stampato in 3D: poli (metilmetacrilato) per impianti cranici
Nel recente pubblicato ” Impact Optimization of 3D Printed Poly (methyl methacrylate) for Cranial Implants “, Sandra Petersmann, Martin Spoerk, Philipp Huber, Margit Lang, Gerald Pinter e Florian Arbeite esplorano la stampa 3D FFF per impianti medici, con particolare attenzione sul comportamento all’impatto e sull’esame degli effetti della densità e del motivo di riempimento sul poli (metilmetacrilato) stampato in 3D (PMMA).
Mentre la stampa 3D sta aiutando i ricercatori a compiere passi da gigante in campo medico, ci sono ancora molte sfide da affrontare nella fabbricazione di impianti. Una delle più grandi e comprensibili sfide è che gli impianti devono essere simili alla struttura umana naturale e non è facile eseguire questa operazione. Per gli impianti cranici sono richieste le seguenti caratteristiche:
Inerzia
biocompatibilità
sterilizzabilità
Stabilità da molto tempo
Forza
durabilità
Lavorabilità intraoperatoria
I ricercatori si sono concentrati fortemente sui polimeri per gli impianti di stampa 3D, in particolare PEEK e PMMA.
“Entrambi i materiali termoplastici sono inerti, biocompatibili e rivelano adeguate proprietà meccaniche al fine di sostituire l’osso. PEEK supera il PMMA in termini di resistenza, rigidità e durata. Al contrario, il PMMA è facilmente ottenibile e conveniente “, hanno affermato i ricercatori.
Le strutture sandwich sono popolari, con strati variabili in termini di orientamento e struttura e proprietà meccaniche migliorate con un nucleo strutturato “a due strati esterni rigidi e sottili”. Utilizzando le strutture classiche, tuttavia, i ricercatori hanno riferito:
“Tutti i test, indipendentemente dalla densità e dalla struttura del riempimento, mostrano un comportamento di rottura a livello di passo, che può essere visto come diversi picchi nelle curve forza-spostamento. Questo è un fenomeno abbastanza comune nelle strutture a sandwich, poiché il comportamento alla frattura degli strati superficiali e del materiale del nucleo è abbastanza diverso. “
Il team di ricerca è stato in grado di migliorare la rigidità e l’assorbimento di energia, con i campioni di PPMA progettati con una riduzione del 50% in peso. La struttura interna è stata stampata in 3D con una densità di riempimento del 100 percento.
“Rispetto ad altre impostazioni di densità di riempimento del 50%, la struttura topologia ottimizzata risultati decisamente buoni in termini di rigidità dinamica e F D . Entrambi i valori sono simili al 3D ‐ HC e superiori rispetto alle strutture interne rettilinee e gyroid. Tuttavia, in termini di comportamento complessivo della frattura, ha una forma simile al 70% di 3D-HC e al 100% di strutture rettilinee, dal momento che fallisce piuttosto fragile senza una pronunciata fase di propagazione della frattura ”, hanno affermato i ricercatori.
“Concludendo i risultati, sembra che E D in combinazione con la rigidità dinamica o la deformazione raggiunta fino a questo punto rappresentino un parametro molto critico per quanto riguarda il processo di progettazione degli impianti. Se si desidera un livello di forza tollerato elevato in relazione all’energia assorbita, si raccomandano attualmente strutture interne 3D-HC con una densità di riempimento del 70% e strutture rettilinee con una densità di riempimento del 100%. “
La stampa 3D per impianti cranici è un argomento di studio in corso, poiché i ricercatori sperimentano come renderli in titanio , esplorano gli effetti della regolazione e ulteriori innovazioni per l’assistenza specifica per il paziente .
Confronto dei meccanismi di insuccesso verificatisi dopo il test di impatto Campioni di PMMA stampati in 3D tra cui a – d) rettilinei, e-g) tiroide e h – j) strutture a nido d’ape 3D (3D ‐ HC) con densità di riempimento del 30%, 50% , 70% e 100%. È rappresentato il lato del campione verso il dispositivo di simulazione. Rappresentazione schematica di un campione di impatto stampato in 3D con la struttura sandwich investigata e le sue dimensioni in mm a) e dei tre modelli di riempimento del nucleo sandwich esaminati insieme alle rispettive densità di riempimento b). In (a), la superficie blu raffigura la piattaforma di costruzione durante la stampa e la freccia verde la direzione dell’impatto durante il test. I campioni sono orientati in modo tale che gli strati consecutivi di stampa siano in direzione z. 
Sezione di quarto dei campioni di impatto del PMMA ottimizzati da una topologia a) e materiale b) tecnica di ottimizzazione. Il materiale grigio si riferisce al PMMA, mentre l’interstrato verde rappresenta il TPC morbido. I campioni sono orientati in modo tale che gli strati consecutivi di stampa siano in direzione z. 