Avaliação das Propriedades de Polímeros, após Impressão 3D, para aplicação em Protetores Bucais

Abstract

Os atletas, quando expostos a impactos e colisões decorrentes da proximidade física, têm uma maior probabilidade de sofrerem lesões orofaciais. Para atuar na prevenção deste tipo de lesões, o uso de protetores bucais poliméricos mostrou-se útil, uma vez que tem como objetivo absorver e dissipar a energia de impacto. Apesar do que se encontra já reportado na literatura, o protetor bucal ideal ainda está para ser criado, pois os métodos de fabrico ainda não produzem um dispositivo com um design adequado e os materiais poliméricos utilizados ainda têm algumas limitações. O principal objetivo da presente dissertação é utilizar a técnica de impressão 3D para fabricar protetores bucais, pois é uma tecnologia sustentável, não necessita de moldes e tem a grande vantagem de produzir dispositivos completamente personalizados. Deste modo a adaptação do protetor à arcada do atleta é otimizada. Simultaneamente, é também proposto a utilização de novos materiais poliméricos, para além do utilizado nos protetores bucais (EVA- copolímero de acetato e etileno de vinilo). Um dos parâmetros considerados no estudo é a influência da espessura do componente impresso na rigidez e na capacidade de absorção de energia de impacto. Os materiais testados incluem o poli(ácido láctico) (rPLA) reciclado a partir de embalagens de alimentos, o poli(metil metacrilato) (PMMA), o poliestireno de elevado impacto (HIPS) e a poliuretana (TPU). Os provetes foram impressos utilizando duas alturas de camada (0,2 mm – LQ e 0,1 mm – NQ) e duas espessuras diferentes (2 mm e 4 mm), a fim de estudar a influência destes parâmetros nas propriedades dos provetes impressos. A caracterização englobou as vertentes química, térmica, de superfície e mecânica dos filamentos pré-impressão e dos componentes impressos. Os resultados permitem concluir que as amostras impressas com NQ originam um módulo de elasticidade à flexão superior e, consequentemente, apresentam uma maior rigidez. Quanto às diferenças entre espessuras, as amostras com 4 mm também têm um valor superior de módulo de elasticidade à flexão em comparação com as de 2 mm. Em relação à absorção de energia de impacto, com a exceção da TPU, todos os materiais demonstraram uma diminuição da resiliência com o aumento da espessura da amostra. Por outro lado, a influência da altura da camada não seguiu a mesma tendência em todos materiais. Apenas foram observadas diferenças significativas para os provetes de 2 mm de HIPS, nos quais a absorção de energia é superior nas amostras impressas em NQ. Em comparação com o EVA (material comumente utilizado nos protetores bucais comerciais), a TPU tem uma absorção de energia semelhante enquanto os restantes materiais apresentam um valor superior. Apesar do dano causado pelo impacto, os provetes de 2 mm de HIPS e PMMA impressos em NQ, são os que apresentam maior absorção e dissipação de energia e, por isso, são os potenciais candidatos para o fabrico de protetores bucais. Esta informação é corroborada pelos dados adquiridos nos testes de flexão em três pontos e pela energia da superfície. Este estudo forneceu indicações favoráveis quanto ao sucesso de utilizar a impressão 3D e outros materiais poliméricos para fabricar protetores bucais, nomeadamente no que concerne à capacidade de absorção de energia e redução da espessura. Uma possível solução seria combinar dois materiais de modo a reduzir o dano e aumentar a resiliência.

When exposed to impacts and collisions resulting from physical proximity, athletes are more likely to suffer orofacial injuries. To act in the prevention of this type of injuries, the use of polymeric mouthguards proved to be useful, since it aims to absorb and dissipate the impact energy. Despite what is already reported in the literature, the ideal mouth guard is yet to be created, as the manufacturing methods do not yet produce a device with an adequate design, and the polymeric materials used still have some limitations.The main objective of this dissertation is to use the 3D printing technique to manufacture mouthguards, as it is a sustainable technology, does not require molds, and has the great advantage of producing completely customized devices. Therefore, the adaptation of the protector to the athlete's arch is optimized. At the same time, it is also proposed to use new polymeric materials, besides that used in mouthguards (EVA-copolymer of ethylene-vinyl acetate). One of the parameters considered in the study is the influence of the thickness of the printed component on the stiffness and impact energy absorption capacity.The tested materials include poly (lactic acid) (rPLA) recycled from food packaging, poly (methyl methacrylate) (PMMA), high impact polystyrene (HIPS), and polyurethane (TPU). The specimens were printed using two layer heights (0.2 mm - LQ and 0.1 mm - NQ) and two different thicknesses (2 mm and 4 mm) to study the influence of these parameters on the properties of the printed specimens. The characterization included the chemical, thermal, surface, and mechanical aspects of pre-printed filaments and printed components.The results allow us to conclude that the samples printed with NQ originate a modulus of elasticity at the top flexion and, consequently, present a higher rigidity. As for the differences between thicknesses, samples with 4 mm also have a higher flexural modulus value than 2 mm.Regarding impact energy absorption, except for TPU, all materials showed a decrease in resilience with increasing sample thickness. On the other hand, the influence of the height of the layer did not follow the same trend in all materials. Only significant differences were observed for the 2 mm HIPS specimens, in which the energy absorption is higher in the samples printed in NQ. Compared with EVA, TPU has a similar energy absorption, while the other materials have a higher value. Despite the damage caused by the impact, the 2 mm test pieces of HIPS and PMMA printed in NQ, are the ones that present higher energy absorption and dissipation and, therefore, are the potential candidates for the manufacture of mouthguards. This information is corroborated by the data from the three-point bending tests and by the energy of the surface.This study provided favorable indications about the success of using 3D printing and other polymeric materials for manufacturing mouth guards, namely concerning the energy absorption capacity and thickness reduction. One possible solution would be to combine two materials in order to reduce damage and increase resilience.