fevereiro 2023 - Ciência e Engenharia de Materiais

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segunda-feira, 27 de fevereiro de 2023

Scaffolds de poliuretano impressos em 3D para o reparo de defeitos ósseos

27 fevereiro

 

Resumo: Defeitos ósseos de tamanho crítico são aqueles que não cicatrizam sem intervenção médica e podem surgir de traumas e infecções. Neste estudo, foi investigado o reparo de defeitos ósseos usando um scaffold impresso em 3D utilizando o LayFomm - uma mistura de polímeros de álcool polivinílico (PVA) e poliuretano (PU).


Defeitos ósseos de tamanho crítico são aqueles que não cicatrizam espontaneamente, sem intervenção médica. Eles podem surgir por trauma, má cicatrização de fraturas e remoção óssea após infecção grave ou ressecção de tumor.


O padrão atual de tratamento é reconstruir o defeito com osso de uma região diferente do esqueleto humano e estabilizar com implantes fixados ao osso. Isso tem limitações, incluindo a quantidade de osso disponível para transferência sem causar morbidade no paciente e o aumento do risco de infecção.


O uso da manufatura aditiva está aumentando rapidamente na área da saúde, particularmente nas áreas de odontologia e ortopedia. Um dos principais benefícios dessa abordagem é o potencial para implantes personalizados. 


Ao reconstruir um objeto a partir de tomografias 3D dos defeitos ósseos e fazer engenharia reversa do local danificado, um implante pode ser produzido com dimensões exatas para reparar o defeito. 


Existem inúmeras técnicas e materiais disponíveis, de modo que metais, cerâmicas e polímeros podem ser fabricados para aplicações ortopédicas específicas. O estudo realizado pelos autores investigou o uso da modelagem de deposição fundida (FDM - fused deposition modeling) para a reconstrução óssea.


Esse método de fabricação é disponível a um custo relativamente baixo e representa uma técnica economicamente viável para produzir implantes personalizados. Outra vantagem é o nível de controle sobre os parâmetros de projeto. Por exemplo, materiais, macroporosidade e geometria de preenchimento podem ser todos refinados de modo que o scaffold possa ser ajustado em termos de adesão celular, infiltração celular e rigidez.


O material utilizado pelos autores foi o LayFomm (PoroLay) - uma mistura de polímeros de álcool polivinílico (PVA) e poliuretano (PU).


Neste estudo, os autores estudaram o uso do LayFomm como material para o scaffold para a diferenciação in vitro de células-tronco de polpa dentária (DPSCs - dental pulp stem cells) e produção de matriz óssea semelhante ao do osso. Em seguida, o scaffold foi implantado por via subcutânea para determinar a resposta de corpo estranho ao material. 


Com isso, os scaffolds foram implantados em defeitos mandibulares em um modelo de roedor in vivo para determinar o potencial de crescimento ósseo e cicatrização do defeito.


Segundo os autores, o poliuretano usado neste estudo permitiu uma rápida fixação celular, com uma eficiência de 68% após apenas 3 horas de implementação. Isso pode ser atribuído à tendência do material ser atraído pela água (hidrofílico) e também à sua microporosidade. 


 

Figura 1: Scaffolds desenvolvidos com o material LayFomm, mostrando o aparecimento de microporos após a remoção do PVA (álcool polivinílico). Fonte: (Cooke et al. 2020).


A microporosidade proporcionou uma área de superfície maior e demonstrou aumentar a adesão de proteínas, a adesão e a proliferação celular, além de desempenhar um papel crítico na osteogênese nos scaffolds ósseos. 


Os autores mostraram também que a capacidade do LayFomm de absorver e liberar quimioterápicos foi ativa por um período de 14 dias, o que demonstrou a formação óssea in vivo.


As células-tronco da polpa dentária (DPSCs - dental pulp stem cells) foram utilizadas neste estudo para análise in vitro devido à sua rápida taxa de proliferação e capacidade de sofrer diferenciação osteogênica na presença dos fatores apropriados. De acordo com os autores, os scaffolds foram capazes de proliferar, diferenciar e produzir matriz óssea.


Este foi o primeiro estudo a caracterizar o LayFomm como um material potencial para regeneração óssea in vitro e in vivo. A formação bem-sucedida da matriz óssea foi promissora, como uma estratégia de reparo ósseo utilizando um scaffold, o que pode ser útil no reparo de defeitos craniofaciais. 


Os autores afirmaram que um caminho interessante para uma investigação mais aprofundada nesta área é a entrega de agentes terapêuticos dentro dos microporos do material para aumentar ainda mais sua capacidade de formação óssea.


Por fim, os autores concluem que defeitos ósseos de tamanho crítico são um cenário desafiador para médicos e pacientes. Um scaffold desenvolvido com um material com grande potencial como o LayFomm permite o crescimento ósseo enquanto fornece suporte estrutural ao osso tem o potencial de ajudar milhões de pacientes em todo o mundo.



Referência:
COOKE, M.E.; RAMIREZ-GARCIALUNA J.L.; RANGEL-BERRIDI K.; PARK, H.; NAZHAT S.N.; WEBER M.H.; HENDERSON, J.E.; ROSENZWEIG, D.H. "3D Printed Polyurethane Scaffolds for the Repair of Bone Defects''. Front. Bioeng. Biotechnol. 8:557215. 2020. https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.557215



Redação: Rafael Andrade Taveira - Engenharia de Materiais - UNILA
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segunda-feira, 20 de fevereiro de 2023

Cerâmica à base de alumina para aplicação de blindagem

20 fevereiro

 

Resumo: A cerâmica tem sido considerada um dos materiais mais importantes e utilizados para aplicações de blindagem militar devido a sua baixa densidade, baixo peso, alta resistência à compressão e alta dureza.


Os materiais cerâmicos para uso como blindagem balística devem ser suficientemente rígidos para fragmentar o projétil (bala) e reduzir sua velocidade, transformando em pequenos fragmentos que devem ser retidos pela camada de material flexível que suporta a cerâmica. 


Assim, é necessário que o material cerâmico apresente um alto módulo de elasticidade e alta dureza. Além disso, a tenacidade à fratura também é um requisito muito importante para esta aplicação.


Os principais materiais cerâmicos utilizados comercialmente no desenvolvimento de armaduras balísticas são Al2O3 (alumina), B4C (carbeto de boro), SiC (carbeto de silício) e compósitos de matriz cerâmica (CMCs - ceramic matrix composites).


Em contramão, o alto custo, impedimentos de processamento e restrições para prever o desempenho balístico a partir das propriedades do material são algumas desvantagens das armaduras de cerâmica.


A alumina apresenta a melhor relação custo-benefício entre as cerâmicas avançadas, apresentando alto módulo de elasticidade, alta refratariedade, alta dureza e custo relativamente baixo. No entanto, devido à sua baixa tenacidade à fratura e baixa resistência à flexão, o desempenho balístico da alumina é inferior quando comparado ao SiC e B4C.


Um sistema de blindagem balística consiste em várias camadas. A primeira camada geralmente é formada por materiais cerâmicos cuja função é amortecer o impacto inicial do projétil. Essa camada deve fraturar a ponta do projétil dissipando grande parte da energia cinética da massa do fragmento do projétil e melhorar a distribuição da pressão de impacto na segunda camada. 


A segunda camada, também chamada de suporte, é formada por materiais dúcteis, geralmente metálicos. Sua função é absorver a energia cinética dos fragmentos derivados do projétil residual e da cerâmica por deformação plástica.


O projeto de uma blindagem utilizando materiais cerâmicos deve considerar que a fratura deste material está associada a cargas instantâneas em impactos balísticos, que são bem diferentes daquelas associadas a cargas estáticas.


Não é possível garantir uma correlação efetiva entre o desempenho balístico e uma única característica ou propriedade do material, devido à natureza dinâmica do evento ocorrendo em intervalos de tempo que variam de nano a microssegundos. Assim, testes balísticos sob certas condições são sempre necessários para determinar a eficácia dos sistemas de proteção.


O desenvolvimento da cerâmica balística requer uma avaliação criteriosa das propriedades físicas e mecânicas do material, a fim de se obter placas balísticas com desempenho adequado ao nível de proteção exigido. 


O objetivo do trabalho realizado pelos autores foi de caracterizar placas balísticas à base de alumina e avaliar seu desempenho em situações onde altos níveis de energia cinética são requeridos.


Três composições de alumina foram usadas neste estudo: com 92%, 96% e 99% em peso de alumina. As composições foram caracterizadas por medições de dureza Vickers e resistência à flexão em quatro pontos.


De acordo com os resultados obtidos pelos autores, as composições 92% e 99% em peso de alumina apresentaram resultados comparáveis entre si, maior dureza Vickers e maior resistência à flexão do que a composição de 96% em peso de alumina. No entanto, a composição de 92% foi selecionada para testes balísticos devido à sua menor porosidade.


Os autores determinaram que, ao utilizar placas de alumina com 12 mm de espessura submetidas a um procedimento baseado na norma NIJ-0108.01 (Ballistic Resistant Protective Materials - Law Enforcement Standards Laboratory of the National Bureau of Standards), os fragmentos do projétil não penetraram ou causaram deformação em nenhum dos suportes (placas metálicas) de cinco placas testadas no total. 


Com esse resultado, os autores concluíram que todas as placas testadas foram aprovadas nos testes balísticos.


 

Figura 1: Resultados dos disparos efetuados nas placas balísticas elaboradas a partir da composição 92% em peso de alumina: (a) vista frontal antes do impacto, (b) vista frontal após o impacto do projétil e (c) detalhe do impacto local do  projétil na superfície da alumina após a remoção dos fragmentos. Fonte: (Silva et al. 2014).



Referência:
SILVA, M. D.;, STAINER, D.; AL-QURESHI, H. A.; MONTEDO, O. R. K.; HOTZA, D. "Alumina-Based Ceramics for Armor Application: Mechanical Characterization and Ballistic Testing", Journal of Ceramics, vol. 2014, Article ID 618154, 6 pages, 2014. https://doi.org/10.1155/2014/618154



Redação: Rafael Andrade Taveira - Engenharia de Materiais - UNILA
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segunda-feira, 13 de fevereiro de 2023

Leonardo da Vinci e a Engenharia de Materiais

13 fevereiro

 

Resumo: Muito conhecido por suas obras artísticas, Leonardo da Vinci teve um papel fundamental no campo da ciência e da engenharia. Sua contribuição para a mecânica pode ser considerada única, original e de grande importância para as tecnologias que viriam a ser desenvolvidas no futuro.


Leonardo da Vinci nasceu em 15 de abril de 1452 em Vinci, Itália, muito perto de Florença. Um artista extremamente talentoso, também mostrou uma capacidade singular em projetar máquinas militares e, inspirado por sua paixão por aves, aparatos que poderiam permitir o impossível naquela época: voar.


Da Vinci trabalhou ativamente em pintura e esculturas, mas também desenhou armas e edifícios. Entre 1485 e 1490, Leonardo produziu vários tipos de objetos, como máquinas voadoras, produção teórica da matemática (incluindo a geometria e a mecânica), construção civil, canais de água para as cidades italianas e projetos de arquitetura. Além disso, Leonardo também se aventurou na “ciência do mar” e projetou submarinos.


Infelizmente, devido ao seu envolvimento em muitos e diferentes projetos, deixou vários deles inacabados, ficando apenas os desenhos para as gerações futuras.


E qual a importância de Leonardo da Vinci para a engenharia e para a área de materiais?

 

Bom, um dos pontos altos de Leonardo para a área de materiais foi no campo do atrito. No entanto, sua contribuição não é amplamente reconhecida. Da Vinci percebeu que o que impede o movimento perpétuo de um objeto é o atrito.


Além de ser um observador detalhista da natureza e do seu funcionamento, Leonardo chegou a essa conclusão sobre essa perda parcial de movimento estudando o voo dos pássaros e o nado dos peixes.


Ele fez experimentos importantes com objetos pesados, deixando-os escorregar em planos inclinados. 


Consequentemente, ele descobriu relações importantes entre os três parâmetros que são determinantes no fenômeno do atrito: o peso do objeto, a natureza das superfícies em contato e o ângulo de inclinação do deslizamento. Ele também concluiu que o atrito é independente da área de contato entre o objeto e a superfície onde ocorre o deslizamento.

 

Figura 1: Desenhos do aparelho experimental para medições de atrito de Leonardo da Vinci, presentes em suas anotações. Fonte: (Oliveira. 2019).


Leonardo também realizou alguns experimentos para medir os parâmetros envolvidos no atrito, como uma análise no que hoje é conhecido como coeficiente de atrito: a razão entre a pressão (força normal), as superfícies em contato e a força tangencial (força de atrito).


Um outro ponto importante de seus estudos foi na resistência dos materiais, onde Leonardo Da Vinci descreveu, em suas anotações, um experimento para estudar a resistência à tração de um fio metálico. Mas como foi esse experimento?


Basicamente, Da Vinci suspendeu uma cesta em um fio metálico com uma determinada espessura e comprimento. 


A cesta foi sendo lentamente preenchida por areia (vinda de outra cesta presa) e, no momento em que o peso fosse tanto que rompesse o fio metálico, a areia na cesta seria pesada para estabelecer a resistência à tração do fio.


 

Figura 2: Experimento da cesta suspensa de Leonardo da Vinci. Fonte: (Lund e Byrne. 2001).


Da Vinci realizou o mesmo experimento com o mesmo fio com a metade do comprimento inicial e, posteriormente, com um quarto do comprimento inicial. Concluindo que quanto maior o volume de um material, maior é a probabilidade de apresentar zonas defeituosas, favorecendo a falha.


Grande parte das máquinas desenhadas (e projetadas) por da Vinci já antevia uma modernidade que estava longe de acontecer. Suas máquinas de guerra, submarinos, carros de assalto, canhões, metralhadoras, parafuso voador (ancestral do helicóptero), pontes giratórias e tantos outros foram ideias precursoras de muitas tecnologias modernas de hoje.


Figura 3: Invenções de Leonardo da Vinci: (A) Um rolamento de esferas e (B) um parafuso para rolamento de esferas. Fonte: (Oliveira. 2019).


As obras de Leonardo da Vinci, no que diz respeito à suas máquinas, foram de extrema importância pois deram uma contribuição notável às ciências da engenharia em suas diversas modalidades: civil, mecânica, metalúrgica, materiais, naval e até aeronáutica. Um gênio além de seu tempo, teve um vislumbre da tecnologia que viria a ser criada séculos depois.



Referência:
A. OLIVEIRA. “The Mechanical Sciences in Leonardo da Vinci’s Work. Advances in Historical Studies” Polytechnic School of Rio de Janeiro, Federal University of Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil. 8, 215-238, 2019. https://doi.org/10.4236/ahs.2019.85016

J. LUND; J. BYRNE. “Leonardo Da Vinci's tensile strength tests: Implications for the discovery of engineering mechanics”. Civil Engineering and Environmental Systems, 18:3, 243-250. 2001. https://doi.org/10.1080/02630250108970302



Redação: Rafael Andrade Taveira - Engenharia de Materiais - UNILA
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sexta-feira, 3 de fevereiro de 2023

Utilização de fibras híbridas em diferentes tipos de concreto e sua atividade

03 fevereiro

 

Resumo: Neste artigo foi apresentado o estudo da influência do uso de fibras híbridas nas propriedades mecânicas de dois tipos de concreto: concreto de alta resistência (HSC - high-strength concrete) e concreto leve (LWC - lightweight concrete), onde os autores viram que o uso de fibras híbridas em vez de apenas um tipo melhorou o desempenho mecânico do concreto.


O concreto é um dos materiais de construção mais comuns usados na construção em todo o mundo devido à facilidade de moldagem em qualquer forma estrutural durável prevista. 


Atualmente, as barras de aço em concreto armado estão sendo substituídas por diversos outros materiais, tais como as fibras curtas. Muitas propriedades do concreto podem ser melhoradas pela adição dessas fibras, como a resistência e a ductilidade.


Para introduzir o assunto, o concreto reforçado com fibras (FRC - fiber-reinforced concrete) é definido como “concreto de cimento hidráulico incorporando agregados finos ou finos e graúdos e fibras discretas irregulares”. As fibras podem ser de aço, plástico, vidro ou materiais naturais, e todos esses tipos são usados em concreto em várias formas e tamanhos.


As fibras orientadas aleatoriamente impedem o mecanismo de microfissuração e limitam a propagação da trinca. A adição de fibras curtas à mistura de concreto tem melhorado a resistência à compressão, durabilidade, resistência à tração, resistência à flexão e resistência ao impacto, produzindo uma matriz homogênea e isotrópica. 


Além disso, a fração volumétrica e a área superficial específica das fibras devem ser consideradas como os parâmetros importantes mais afetados no concreto reforçado, assim como a relação entre o comprimento da fibra dividido pelo seu diâmetro.


A respeito do concreto reforçado com fibras, quando dois ou mais tipos de fibras são combinados de forma a produzir um compósito, este compósito é chamado de híbrido. Além disso, o reforço do concreto usando fibra híbrida dá a oportunidade de projetar um sistema mais forte, mais rígido, mais flexível e dúctil para melhorar a resistência à fissura e a resistência final em comparação com o concreto reforçado simples.


Nos últimos anos, a fibra híbrida tem sido considerada um dos materiais mais favoráveis para o reforço e reparo de construções de concreto. Em geral, o concreto simples tem baixa resistência à tração e baixa resistência à fissuração. A hibridização de fibras usa vários tipos de fibras para suportar a resistência dessas fissuras na construção de concreto.


A respeito dos materiais utilizados neste artigo, os autores citam os principais: o cimento utilizado foi o Cimento Portland (mais comum), fibra de vidro (GF - glass fiber) e fibras de polipropileno (PPF - polypropylene fibers). Os autores citam que o uso de fibras no concreto apresenta muitas vantagens, como facilidade de processamento, baixo peso específico, adsorção de água quase zero, boa resistência química, ampla disponibilidade e baixo custo.


 

Figura 1: Fibras utilizadas neste estudo: (1) fibra de vidro (GF - glass fiber) e (2) fibra de polipropileno (PPF - polypropylene fibers). Fonte: (Mohammed et al. 2022).


De acordo com os resultados dos testes obtidos pelos autores, as seguintes conclusões podem ser tiradas do artigo: o aumento do teor da fibra de vidro aumentou a resistência à compressão nos concretos reforçados com fibras (FRC), nos concretos de alta resistência (HSC) e nos concretos leves (LWC). 


Em relação à influência das fibras na resistência à compressão, os autores citam que usando 0,7% em peso da fibra de vidro nos concretos leves (LWC) e nos de alta resistência (HSC) aumentou a resistência à compressão até 46% e 23%, respectivamente. Já o uso da fibra de polipropileno causou redução na resistência à compressão de ambos em 5% e 3%, respectivamente.


Entretanto, a mesma porcentagem em peso da fibra de vidro aumentou a resistência à tração do concreto leve (LWC) e do concreto de alta resistência (HSC) em até 47,62% e 21,1%, respectivamente.


Em relação às fibras híbridas, as fibras com teor de 0,5% em peso da fibra de vidro + 0,5% em peso da fibra de polipropileno, apresentaram melhor proporção híbrida e afetaram positivamente na resistência à tração de ambos os concretos.


Concluindo, este estudo traz uma visão importante para o desenvolvimento de novas formas de desenvolver concretos mais leves e mais resistentes para um setor da indústria que está sempre em atividade no mundo. Reforçando a importância da contribuição da engenharia de materiais para as áreas de pesquisa em materiais compósitos com a construção civil.



Referência:
H. MOHAMMED; H. ABEER; M. AL-GBURI. "Utilization of hybrid fibers in different types of concrete and their activity" Journal of the Mechanical Behavior of Materials, vol. 32, no. 1, 2023, pp. 20220262. https://doi.org/10.1515/jmbm-2022-0262


Redação: Rafael Andrade Taveira - Engenharia de Materiais - UNILA
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