Avaliação da ação antibacteriana de nanocompósitos processados por impressão 3D

Abstract

As técnicas de fabrico aditivo (FA) permitem a criação de peças/componentes com geometrias complexas de uma forma mais fácil, com simplicidade e, às vezes, com maior velocidade de produção quando comparada a outros processos convencionais. Uma das técnicas incluídas no FA é a fabricação de filamentos fundidos (FFF), que consiste na extrusão de um material polimérico em várias camadas, recriando as peças 3D anteriormente desenhadas em CAD.Os dispositivos, peças ou objetos obtidos por esta técnica podem ser utilizados nas mais variadas aplicações em diversos setores industriais como aeroespacial, mecânico, elétrico, automóvel e médico.Os materiais mais comuns para esta técnica são polímeros termoplásticos e compósitos de matriz polimérica. O reforço pode ser de polímero, metal ou materiais cerâmicos permitindo assim a criação, inovação e melhoria das propriedades dos produtos. Um dos usos da incorporação de nanopartículas metálicas em filamentos poliméricos é fornecer atividade antibacteriana ao compósito.Nesse contexto, o objetivo principal desta dissertação é avaliar a capacidade antimicrobiana de espécimes impressos, pela técnica de FFF, a partir de filamentos nanocompósitos contendo cobre. Para tanto, foram escolhidos dois filamentos: (i) um com matriz polimérica de poli (ácido lático), (PLA), termoplástico biodegradável, e outro (ii) com matriz de poliuretana (TPU), termoplástico de alta resistência mecânica e resistência química, mas com ductilidade semelhante à dos elastómeros. Como controlo foram utilizados os mesmos polímeros, porém sem adição de metal. Todos os filamentos e espécimes impressos foram submetidos à caracterização química, morfológica, térmica e microbiana. Os parâmetros de impressão foram otimizados em relação à temperatura de impressão, temperatura da plataforma e velocidade de impressão. Além disso, diferentes geometrias e percentagens de preenchimento foram avaliadas a fim de entender se poderiam ou não influenciar a atividade antimicrobiana.A principal conclusão deste trabalho é que, embora os filamentos comerciais apresentem alguma atividade antimicrobiana contra Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa e Staphylococcus aureus, os espécimes impressos não apresentaram atividade antimicrobiana. Este facto deve-se principalmente ao cobre estar presente na superfície dos filamentos comerciais, mas, após a impressão, o elemento metálico está ausente da superfície. Consequentemente, as bactérias não são inibidas no seu crescimento e proliferação, pois o PLA e o TPU não apresentam nenhum risco químico para os microrganismos.

Additive manufacturing techniques (FA) allow the creation of complex geometries parts/components in an easier, with simplicity and, sometimes, at a higher production speed when compared to other conventional processes. One of the techniques included in the FA is the fused filament fabrication (FFF), which consists of the extrusion of a polymeric material in several layers, recreating the 3D parts that were previously drawn in CAD.The devices, parts or objects obtained by this technique can be used in the most varied applications and its presence is verified in several industrial sectors such as aerospace, mechanics, electrical, automobile and medical.The most common materials for this technique are thermoplastic polymers and polymeric matrix composites. The reinforcement can be of polymer, metal or ceramic materials thus allowing the creation, innovation and improvement of the properties of designed products. One of the uses of incorporating metal nanoparticles into polymeric filaments is to provide antibacterial activity to the composite.In this context, the main objective of this dissertation is to evaluate the antimicrobial capacity of printed specimens, using the FFF technique, from nanocomposite filaments containing copper. For this purpose, two filaments were chosen: (i) one with a polymer matrix of poly(lactic acid), (PLA), biodegradable thermoplastic, and another (ii) with a polyurethane matrix (TPU), thermoplastic with high mechanical strength and chemical resistance, but with a ductility similar to elastomers. As a control, the same polymers were used, but without the addition of metal. All the filaments and printed specimens where subjected to chemical, morphological, thermal and microbial characterization. The printed parameters were optimized regarding the printing temperature and platform temperature, and the printing speed. Also, different geometries and infill percentages of the specimens where chosen in order to understand whether or not they could influence the antimicrobial activity.The main conclusion of this work is that, although the commercial filaments present some antimicrobial activity against Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus, the printed specimens did not present any antimicrobial activity. This is mainly due to the fact that the copper is present in the surface of the commercial filaments but, after printing, the metallic element is absent from the surface. Consequently, the bacteria are not inhibited to grow and proliferate, as PLA and TPU do not present any chemical hazard for the microorganisms.