O teste balístico é uma condição dinâmica usando um projétil, cujo impacto introduz um pulso de energia no material que então viaja para a face livre oposta. Os sistemas de proteção balística modernos geralmente incorporam materiais cerâmicos para impedir o projétil e podem ser colados a uma placa de apoio.

A diferença de impedância entre a cerâmica e o adesivo afeta a quantidade de energia refletida da face sem a cerâmica. Um adesivo de baixa rigidez tem uma impedância muito menor do que a cerâmica e resultará em mais energia sendo refletida de volta na cerâmica durante o estágio inicial do evento balístico, resultando em mais danos à cerâmica. 

Assim, há vantagens em se utilizar um adesivo mais rígido que consiga transmitir maiores quantidades de energia para longe da cerâmica e que também proporciona maior sustentação à cerâmica durante o impacto. Usar um adesivo rígido, como epóxi, significa que a energia transmitida à camada adesiva é tipicamente dez vezes maior do que quando se usa um material de menor rigidez, como o poliuretano. 

No entanto, para que o sistema de proteção funcione, a cerâmica deve permanecer ligada à placa de apoio e isso tem sido um problema com os adesivos mais rígidos. Além disso, há pouca pesquisa para orientar melhorias na adesão de cerâmicas a polímeros. Como resultados dos testes, quatro painéis compostos de alumina foram testados no total. Cada painel foi disparado uma única vez usando um projétil de 14,5 mm.

Os painéis tratados com laser demonstraram maior resistência aos danos do impacto. Os únicos ladrilhos que foram destacados foram aqueles imediatamente ao redor do local do impacto. A área danificada não era muito maior do que o buraco na camada composta frontal. As partes restantes no painel ainda estavam presas ao suporte e o painel ainda estava rígido. Ou seja, resistiram ao impacto. Os autores verificaram também que o material de suporte havia falhado e deixado fibras dentro da camada adesiva. Isso demonstra que a interface entre a cerâmica e a camada adesiva foi mais forte e mais resistente ao choque por impacto do que as outras interfaces.

Já para os painéis de carbeto de silício, três painéis foram testados Cada painel foi testado quatro vezes. Após o primeiro disparo, os disparos subsequentes estavam a um espaçamento de aproximadamente 100 mm do tiro anterior. Observou-se que o terceiro e quarto impacto nos painéis de controle tiveram menores áreas de danos na parte frontal do painel. Os autores afirmam que a bala não transmitiu tanta energia na superfície imediata da cerâmica e isso pode ser resultado de um tempo de permanência reduzido da bala. 

O quarto impacto penetrou completamente no painel. Em comparação, o painel processado a laser demonstrou pouca mudança no dano observado na frente dos painéis. Ao contrário dos outros testes, o quarto projétil também foi parado dentro do painel. Como resultado, os desempenhos balísticos dos painéis de controle, reaquecidos e tratados com laser foram comparados para entender as diferenças nos danos sofridos. Após o teste, os autores realizaram uma avaliação qualitativa da área danificada e do local de falha da ligação adesiva.

Os painéis feitos das amostras de controle de alumina e carbeto de silício exibiram o maior grau de dano após o teste. Todos os painéis de alumina foram destacados da camada compósita/adesiva. Além disso, a diminuição da rigidez do painel também foi observada após cada impacto. O painel de carboneto de silício reaquecido mostrou pouca melhora em comparação com o controle. 

Os painéis tratados com laser demonstraram a maior resistência aos danos dos impactos. O painel de alumina sofreu danos apenas no local do impacto e observou-se que era apenas ligeiramente maior do que o buraco causado pelo impacto da bala. O painel de carboneto de silício parou todas as quatro balas e permaneceu rígido durante todo o teste.

Embora os autores afirmem que seja necessário mais testes para confirmar a aplicabilidade geral desta pesquisa, eles indicam que os tratamentos a laser podem oferecer rotas comercialmente viáveis para melhorar a resistência da união adesiva e, portanto, o desempenho balístico da armadura de cerâmica com suporte de um material compósito. 

Pesquisas referentes à proteção balística são de extrema importância na área da engenharia, tendo um impacto na segurança social e nos campos militares. A engenharia de materiais está muito presente neste ramo que tende a receber cada vez mais atenção das indústrias.

Os materiais cerâmicos, de modo geral, são duros, quebradiços, resistentes ao desgaste e resistentes à corrosão, o que explica seu potencial ortopédico como implantes médicos, como próteses da articulação do quadril. 

As biocerâmicas são uma subclasse de cerâmica desenvolvida na década de 1970 e além das boas propriedades mecânicas existentes da cerâmica, as biocerâmicas incluem excelente biocompatibilidade e grande potencial de bioatividade. Portanto, esses biomateriais também são usados em inúmeros implantes dentários, enxertos ósseos e scaffolds para promover a osteogênese no campo da engenharia de tecidos.

A demanda cada vez mais crescente por dispositivos e peças de materiais biocerâmicos requer métodos mais rápidos e precisos para sua fabricação. A tecnologia de fabricação subtrativa é comum, embora imperfeita. A maioria dos métodos para fabricar scaffolds de cerâmica, usando moldes de polímero ou agentes espumantes, são criados usando métodos subtrativos. Esses métodos criam os poros no scaffold de forma aleatória e, portanto, não podem fornecer um bom controle de parâmetros. 

Para outras aplicações, como ortopedia, uma máquina computadorizada pode subtrair partes indesejadas de um material e deixar apenas a forma desejada. O material subtraído pode, então, fabricar outros componentes menores ou ser descartado como desperdício. Com o surgimento da manufatura aditiva, houve uma solução para os problemas da manufatura subtrativa. Sendo assim, as impressoras 3D podem construir objetos complexos em menor tempo, com menor quantidade de peças e com menos desperdício. 

De forma geral, uma impressora 3D recebe um modelo tridimensional (CAD) para seu software de processamento e todo o processo é automatizado. Os programas de processamento das camadas fornecem personalização adicional dos parâmetros de impressão, como preenchimento, temperatura e velocidade de impressão.  A manufatura aditiva não precisa de moldes ou usinagem para construção complexa de modelos como scaffolds. Além disso, a impressão 3D não se limita apenas a materiais plásticos. A tecnologia de impressão 3D atual permite o uso de materiais alternativos, incluindo biotintas e, claro, cerâmicas com as devidas adaptações.

Cada técnica de manufatura aditiva ainda mantém a ideia de “camada por camada” que define o processo, no entanto, variações no método de impressão ou materiais podem resultar em imensas mudanças em características como resistência mecânica, biocompatibilidade, porosidade e até mesmo custo. Assim, não existe um método universal de “melhor” impressão 3D para materiais biocerâmicos. Vamos aos métodos existentes hoje:

A impressão baseada em extrusão, ou Fused Deposition Modeling (FDM), é uma das técnicas mais conhecidas e utilizadas tradicionalmente. Um dispositivo recebe um modelo 3D e, em seguida, inicia a impressão aquecendo o cabeçote de impressão e a mesa de impressão. 

O bocal então extruda o material cerâmico (com adaptações) camada por camada. Cada camada endurece à medida que é colocada e se torna um produto sólido. O método de FDM consome pouca energia e custa menos do que algumas outras técnicas de manufatura aditiva, e por esta razão, eles são muito estudados para engenharia de tecido ósseo.

O jateamento de material (material jetting) é outra técnica de manufatura aditiva que pode incluir materiais biocerâmicos. Sua tecnologia é relativa a impressoras domésticas em papel colorido. No entanto, o jateamento de material também pode formar geometrias cerâmicas 3D complexas sem defeitos microestruturais perceptíveis. Com o jateamento de material, quantidades de gotículas suspensas em cerâmica são dispersadas com precisão em um material de substrato ou superfície de impressão. Essas gotículas então solidificam através da evaporação do solvente, gelificação induzida por temperatura ou reações químicas. O processo se repete camada por camada até que um sólido 3D do objeto desejado seja fabricado.

Binder jetting (ou jateamento de ligante em tradução literal) é outra forma de manufatura aditiva capaz de realizar a fabricação sólida de forma livre de materiais cerâmicos. Neste processo, as camadas de pós biocerâmicos são dispersas uniformemente em uma plataforma de construção. Um mecanismo deixa cair o fluido aglutinante no pó para unir as camadas. Após a conclusão do processo, a cerâmica desenvolvida é sinterizada para integridade estrutural. 

Além de usar depósitos de gotículas, existem abordagens baseadas em laser para a manufatura aditiva de materiais biocerâmicos. A sinterização seletiva a laser (SLS) é um método baseado em pó. Nele, é utilizado um laser para derreter (ou fundir) parcialmente as partículas de cerâmica até que elas se unam ou “sinterizem”. 

O pó é depositado camada por camada sobre um leito. Depois que cada camada é depositada, um laser de passagem escaneia o pó em um determinado padrão. Este processo é repetido para cada camada até que o produto final seja formado. O produto que é produzido a partir desse processo pode ser bastante poroso, sendo uma escolha ideal para scaffolds para a engenharia de tecidos.

Os métodos atuais de fotopolimerização em cuba usam materiais cerâmicos misturados à resina para impressões precisas e com detalhes finos. De modo geral, um recipiente cheio de resina fotossensível é curado através da exposição à luz UV, uma camada de cada vez. O corpo verde resultante é então pós-processado por meio de sinterização. 

Todos esses métodos de produção de materiais biocerâmicos foram estudados para determinadas aplicações na indústria, tais como: scaffolds (para regeneração de tecidos), enxertos ósseos, odontologia e revestimentos de implantes. As técnicas de impressão de biocerâmica apresentadas no artigo possuem características específicas que as tornam adequadas para necessidades únicas. Reforçando mais ainda que na manufatura aditiva de biocerâmica não existe uma técnica melhor que a outra. 

Além disso, é importante considerar a microestrutura, bem como as demais propriedades do material cerâmico que está sendo impresso. O tamanho e a composição das partículas de cerâmica podem afetar a homogeneidade geral, a porosidade e as propriedades mecânicas após a sinterização. Há muito mais parâmetros a serem considerados em cada processo, e mais pesquisas são necessárias para estabelecer mais protocolos padrão para controlar esses parâmetros. 

A engenharia de materiais atua fortemente nesta área, somando as duas linhas de atuação: estudo dos parâmetros de materiais biocerâmicos (microestrutura, homogeneidade, composição, etc) e métodos de fabricação. Com isso, podemos concluir que a área de biocerâmicas apresenta um grande potencial nas próximas gerações de engenheiros e de pesquisadores.

Uma questão crucial para uma interface neural é a reação crônica de corpo estranho após a implantação. Evitar essa situação de rejeição, ou pelo menos reduzir sua gravidade, é necessário para preservar o funcionamento a longo prazo das interfaces neurais.

Essa reação é inevitável sempre que qualquer material entra em contato com fluidos corporais. Em contraste, a engenharia de materiais e os processos avançados de fabricação podem minimizar sua gravidade, por exemplo, melhorando a complacência mecânica do implante, diminuindo o tamanho do dispositivo e reduzindo a implantação e o trauma crônico.

Uma das limitações mais comuns das interfaces neurais é a incompatibilidade mecânica entre o implante neural rígido e o tecido neural mole. Essa incompatibilidade intensifica o dano neural e a rejeição causada pela inserção, compressão e movimento. O tecido neural é curvo, macio, dinâmico e sujeito a deformações causadas, por exemplo, pela pulsação sanguínea, pressão respiratória e movimentos naturais do corpo. Em contraste, a maioria das interfaces neurais são estáticas e lutam para se adequar ao tecido neural em condições estáticas e dinâmicas. 

A poliimida (PI) e outros materiais são amplamente utilizados em interfaces neurais flexíveis. As vantagens desses materiais são sua estabilidade bioquímica e térmica e sua compatibilidade com processos de microfabricação em salas limpas. Além disso, o polidimetilsiloxano (PDMS), poliuretano e outros elastômeros foram explorados em interfaces neurais conformáveis e elásticas em camadas nos nervos, na medula espinhal, na retina e no cérebro.

Os avanços da ciência e engenharia de materiais são cruciais para que as interfaces neurais alcancem a excelência científica. Um grande corpo de pesquisa investiga novos materiais, métodos avançados de engenharia e abordagens cirúrgicas menos invasivas. No entanto, os implantes neurais amplamente adotados sofreram apenas pequenas alterações nas últimas décadas e foram construídos com base em materiais, sistemas e metodologias antiquados, mas amplamente caracterizados. A pesquisa acadêmica incentiva e recompensa a inovação contínua, melhorando e aperfeiçoando gradativamente as tecnologias existentes.

Se não for suficientemente desenvolvida e validada, a inovação científica não é adotada rapidamente na indústria médica e nas clínicas. A excelência científica é necessária, mas são necessários mais argumentos para que a indústria decida se deve investir em novas tecnologias. 

A inovação científica deve atender à conformidade regulatória e aos padrões da indústria na cadeia de valor para provar sua atratividade. Ao mesmo tempo, a indústria médica pode favorecer o status quo e suas tecnologias estabelecidas devido ao complexo cenário regulatório, que geralmente resulta em custos enormes para qualquer inovação chegar ao mercado. Essas direções divergentes criam uma lacuna entre a pesquisa acadêmica e a adoção pela indústria. Para preencher a lacuna, as instituições de pesquisa criam startups com foco na tradução industrial e clínica de novos materiais, tecnologias e dispositivos.

Portanto, a neurotecnologia requer investimento estável antes que a pesquisa acadêmica possa cruzar a fronteira do laboratório e passar para uma fase industrial sustentável. O investimento em pesquisa e as instituições acadêmicas devem apoiar ideias inéditas de alto impacto e o longo e dispendioso processo seguinte de otimização tecnológica, melhoria da confiabilidade e validação. 

Esse processo deve permitir que os pesquisadores abordem limitações técnicas fundamentais conhecidas, muitas vezes negligenciadas, pois são menos atraentes para resultados atraentes. A pesquisa acadêmica deve coletivamente dedicar mais esforços à otimização técnica de algumas soluções promissoras, em vez de buscar continuamente apenas a inovação.

Em julgamentos de casos de incêndio, é necessário fornecer evidências científicas. Assim, determinar a presença de um acelerador de incêndio no local é fundamental para essa etapa da investigação. 

Atualmente, o método mais utilizado para identificar aceleradores no local do incêndio é feito em duas etapas: a primeira etapa é extrair fragmentos de aceleradores suspeitos de detritos de incêndio (como extração, adsorção física, método de destilação e derivatização química) e, em seguida, realizar uma análise química para identificar se houve componentes aceleradores na amostra (como cromatografia gasosa- espectrometria de massa, infravermelho e ultravioleta).

No entanto, no local do incêndio, o ambiente complexo de combustão e a destruição durante a extinção do incêndio dificultam não apenas a extração de amostras de qualidade para análise, mas também a extração de aceleradores de combustão voláteis. De acordo com os autores e a teoria da oxidação em alta temperatura, quando os metais são oxidados em um incêndio, o produto da oxidação registra informações sobre a temperatura (temperatura de combustão), composição atmosférica (aceleradores) e tempo de oxidação (duração da combustão).

Por exemplo, a alta temperatura instável da combustão da chama afeta a nucleação e o crescimento de óxidos metálicos; o carbono da combustão incompleta é depositado nas superfícies metálicas; o plasma na chama acelera muito a oxidação do metal e a convecção do ar devido à turbulência rasga a camada de óxido metálico. Com isso, os autores propuseram um novo método para determinar a presença de aceleradores de incêndio com base nas características de oxidação do metal, o que pode melhorar a coleta de evidências para casos de incêndio. 

Figura 1: Dispositivo de simulação de atmosfera de combustão de etanol utilizado pelos autores. Fonte: (Dongbai et al. 2022).

O estudo consiste em analisar o comportamento de oxidação do cobre em uma cena de incêndio controlada com etanol como acelerador, com o objetivo de oferecer informações complementares sobre as características do incêndio e determinar se um acelerador líquido foi envolvido. No estudo, o cobre foi usado. A amostra foi cortada em pedaços e, em seguida, foi polida mecanicamente e desengraxada com acetona, seguido de limpeza ultrassônica e lavagem com etanol antes de ser seco com ar frio para uso posterior.

Como resultados, os autores afirmam que a oxidação do cobre durante a combustão do etanol se diferenciou da sua oxidação ao ar nos seguintes aspectos: (1) a atmosfera oxidante gerada pela combustão do etanol promoveu a oxidação do metal, (2) a convecção de ar quente ao redor da amostra devido à combustão da chama promoveu o descascamento da camada de óxido e (3) o carbono elementar produzido pela combustão incompleta do etanol foi depositado na superfície do metal. 

Neste estudo, o comportamento de oxidação do cobre metálico no ambiente de combustão do etanol foi estudado e sua relação com o acelerador na cena do incêndio foi esclarecida, o que se esperava fornecer novas ideias para investigações de incêndio.

Com base nos resultados, os autores fizeram as seguintes conclusões: 

1) Rachaduras e descamação em grande área da camada de óxido que apareceram na superfície do metal, que estão relacionadas aos fortes componentes do gás oxidante gerados durante a oxidação e a convecção de ar quente resultante da combustão que “rasga” a camada de óxido. 

2) Os óxidos gerados no plano cristalino (111) do cobre foram muito maiores do que os gerados no plano cristalino (311), o que é contrário aos resultados da oxidação via ar quente. 

3) O elemento carbono foi depositado na superfície do cobre metálico, que possui uma estrutura hexagonal que corresponde à composição química do etanol (aceleradores de combustão).

Com isso, o método proposto pelos autores forneceu novas perspectivas e um meio de determinar o uso de aceleradores em incêndios através do estudo do cobre e da sua estrutura cristalina. Este artigo foi mais um exemplo da grande amplitude de aplicação da engenharia de materiais, neste caso, em perícias criminais.