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.

Devido ao seu baixo peso, alta ductilidade e excelente resistência, os compósitos de matriz de alumínio (Al) e ligas de alumínio têm atraído crescente interesse nos campos automotivo, aeroespacial e de defesa nacional. 

Muitos estudos sobre alumínio reforçado com diferentes materiais foram realizados recentemente, reforços tais como fibras de carbono (CFs - carbon fibers), nanotubos de carbono, fibra de grafite, grafeno e assim por diante. O baixo custo e as propriedades mecânicas superiores das fibras de carbono são experimentalmente melhores do que as de outros reforços.

Além disso, a impressão 3D atrai enorme atenção devido à sua alta precisão, baixo custo e curto tempo de fabricação. Vários materiais podem ser impressos usando diferentes técnicas, como metais, cerâmicas, cimentos, polímeros e materiais biológicos, o que permite sua aplicação em campos variados.

No trabalho realizado pelos autores, foram produzidas quatro amostras com diferentes arranjos de fibras de carbono alinhados em camadas de alumínio usando uma impressora 3D baseada em SLA (Stereolithography Apparatus), que ocorre por fotopolimerização.

Os autores organizaram as fibras de maneira aleatória, paralela, circular e ortogonal. Após a impressão das amostras e da sinterização, analisaram as microestruturas, reação da interface e propriedades mecânicas dos compósitos CFs/Al (fibras de carbono/alumínio). 

Dos materiais usados na pesquisa, foram utilizados: resina fotossensitiva, pó de alumínio esférico (tamanho de partícula de 48 μm e 99,7% de pureza) e fibras de carbono com diâmetro médio de 7 μm e comprimento médio de 2 mm.

Um detalhe importante que os autores apontam na preparação das amostras é que para reduzir as cavidades gasosas nas estruturas e melhorar as propriedades mecânicas dos materiais compósitos produzidos, a quantidade da resina fotossensível deve ser minimizada de modo que a amostra esteja completamente curada, ou seja, sem excesso de resina na peça.

O processo de impressão 3D foi da seguinte forma: a suspensão do compósito era depositada na mesa de impressão e o mecanismo de raspagem era movido horizontalmente e uma parte da suspensão fica aderida na superfície (onde se obtém a primeira camada), assim, dá-se início ao processo de cura e o mecanismo movia-se horizontalmente para dar início a outra camada. Após todo o processo, as peças foram sinterizadas - para remoção total da resina.

Figura 1: Diagrama esquemático dos processos de impressão 3D: a linha pontilhada amarela representa o arranjo paralelo e a seta preta representa o arranjo ortogonal. Fonte: (Liang et al. 2022).

Em seguida, os autores realizaram testes mecânicos nas amostras e chegaram à conclusão de que a viabilidade do processo proposto é comprovada pela produção bem-sucedida dos compósitos com estruturas altamente ordenadas de fibras alinhadas. 

Figura 2: Imagem do microscópio eletrônico de varredura das fibras alinhadas (c) aleatoriamente e (d) paralelamente. Fonte: (Liang et al. 2022).

Os resultados dos testes mecânicos mostraram também que o arranjo paralelo teve o maior alongamento, que é cerca de 0,4 vezes maior que o arranjo aleatório. Além disso, o arranjo ortogonal teve a maior resistência ao impacto, que foi cerca de 0,8 vezes maior que o arranjo aleatório. 

Com isso, os autores demonstram que o arranjo específico de fibras pode melhorar anisotropicamente as propriedades mecânicas dos compósitos reforçados com fibras e contribuir para as indústrias - principalmente as automotivas, aeroespaciais e de defesa nacional, que são de grande interesse mundial.

A capacidade de projetar e fabricar dispositivos biomédicos 3D complexos é crítica na engenharia de tecidos. As aplicações para esses dispositivos são principalmente para a restauração de defeitos anatômicos, a reconstrução de órgãos complexos (fígado e órgãos linfóides) e scaffolds para diferenciação de células-tronco. Um grande exemplo de necessidade para essa aplicação são os defeitos anatômicos no crânio, causados por câncer, trauma e defeitos congênitos.

Nos últimos anos, várias abordagens baseadas nos princípios da engenharia de tecidos têm sido exploradas para regenerar outros tecidos funcionais que são relevantes para a regeneração de tecidos maxilofaciais.

Nesse sentido, a fabricação sólida de forma livre (SFF - solid free form fabrication) permite que o projeto e a fabricação de estruturas 3D possam ser específicas para cada paciente. A integração do design assistido por computador (CAD - computer aided design), técnicas avançadas de imagem (ressonância magnética e tomografia computadorizada) e prototipagem rápida, avançaram para favorecer a fabricação de objetos com controle de macro e microarquitetura.

Embora as impressoras 3D industriais tenham atingido uma resolução extremamente alta nos últimos anos, os avanços na capacidade da máquina não se aplicam diretamente no uso de biomateriais, devido a suas limitações físicas e químicas. Os autores focam nas tecnologias avançadas de impressão 3D que estão sendo usadas para fabricar scaffolds na engenharia de tecidos.

Impressão Tridimensional (3DP - Three dimensional printing): permite a fabricação de estruturas 3D por impressão a jato de tinta em solução líquida aglutinante. Uma grande amplitude de materiais tem sido utilizada neste tipo de impressão, uma vez que a maioria dos biomateriais existem no estado sólido ou líquido (tanto cerâmicos quanto poliméricos). A fabricação de scaffolds complexos é facilmente alcançável com esta técnica. Autores em diferentes pesquisas criaram scaffolds altamente porosos com a combinação das técnicas de lixiviação particulada por 3DP e demonstraram o crescimento celular nos scaffolds desenvolvidos. Os materiais 3DP incluem polifosfato de cálcio e PVA (poliacetato de vinila).

Modelagem de deposição fundida (FDM - Fused deposition modeling): a modelagem de deposição fundida é a deposição de materiais termoplásticos fundidos através de uma ou duas cabeças de extrusão aquecidas com um pequeno orifício em um padrão específico. A FDM tem usado polímeros biocompatíveis com baixas temperaturas de fusão. Os materiais usados na FDM para criar scaffolds são PCL (policaprolactona) e compósitos de vidro bioativo. Também é uma técnica muito utilizada para planejamento de cirurgias.

Plotagem 3D de bioimpressão (3D plotting): foi desenvolvido para criar scaffolds de tecidos moles. A plotagem 3D é baseada na extrusão de um material líquido viscoso de uma seringa pressurizada em um meio líquido. O material é depositado em um fio contínuo ou em pontos individuais para criar uma forma 3D desejada de cerâmica, polímeros ou hidrogéis (onde é utilizada a fabricação sólida de forma livre). Os materiais de bioplotagem incluem PLGA (poliácido lático glicólico), colágeno, quitosana e proteína de soja.

Concluindo, os autores apresentaram os principais tipos de impressão 3D para obtenção de scaffolds com geometrias complexas, sendo aplicáveis em diferentes aspectos da medicina regenerativa. Diante disso, podemos perceber que a impressão 3D, com suas diferentes variantes, é uma tecnologia extremamente importante e crucial na área da engenharia de tecidos.

O desenvolvimento industrial demanda elevadas taxas de produção, com diferentes escalas. Com isso, os métodos de manufatura aditiva mostram modalidades que permitem a fabricação desde nanoescalas até mesoescalas, com geometrias simples e complexas. 

Dentre esses tipos de manufatura aditiva, a microestereolitrografia baseada em processamento de luz digital (digital light processing - DLP) explora a fotopolimerização, que converte precursores poliméricos em sólidos utilizando projeções de luz em alta resolução na superfície de uma tinta fotocruzável (photocrosslinkable ink).

O artigo apresenta quatro aspectos críticos à pesquisa, sendo eles: em primeiro aspecto, os microdisplays OLED cobrem áreas de microescalas à macroescalas por meio de uma única operação de produção (impressão 3D), o que permite a produção de tecidos em escala humana. Sendo assim, a manufatura aditiva por OLED demonstra resultados significativos nas demandas exigidas para produção industrial e em larga escala. 

Em segundo lugar, o OLED é o único modulador de luz digital bidimensional (2D) com infinita taxa de contraste, o que não é possível obter com os mecanismos tradicionais. Em terceiro, os microdisplays OLED estão comercialmente disponíveis. E, por fim, no quarto aspecto, as intensidades de luz das telas OLED devem ser uniformes. 

Juntos, estes aspectos abrem caminho para dispositivos com aplicações que exigem materiais avançados, principalmente na área de engenharia de tecidos. Um dos resultados obtidos foi que a plataforma de fabricação 3D por OLED (luz visível e tintas hidrogel à base de PEG) puderam apoiar o crescimento de células adultas de fibroblastos dérmicos humanos, potencializando o desenvolvimento na área da engenharia de tecidos.

Figura 1: Amostra de substratos fabricados com tinta hidrogel contendo PEG, usando multimateriais. As barras de escala são de 5 mm. Fonte: (Kowsari et al. 2021).

Com o avanço tecnológico de bioimpressão 3D, o método apresentado pelo artigo atendeu algumas das necessidades observadas pela indústria como baixo custo com a plataforma OLED, formulações de materiais biocompatíveis reticuláveis por luz visível, incitando novas oportunidades para engenharia de tecidos de alto rendimento e multimateriais.

A impressão 3D é uma ferramenta muito útil em muitas aplicações, mas como toda técnica, tem suas limitações, como a velocidade de impressão, que ocasiona uma baixa produtividade na fabricação em larga escala. Cientistas desenvolveram um método para otimizar a velocidade de impressão 3D através do uso de um hidrogel.

A impressão com processamento de luz digital (DLP) permite a impressão camada por camada, com uma maior resolução vertical e menor consumo de resina. Consegue fazer impressões com várias geometrias.

Conseguiram usar uma impressora DPL comercial a uma velocidade de 400 mm/h, que é considerada uma velocidade muito alta. Para isto reduziram a aderência com o uso de um hidrogel verde muito suave e muito grossa, que funciona como interfaz da separação contra a peça curada, que permite uma produção estável e contínua, perfeita para a produção em larga escala. Os cientistas alcançaram a metade da velocidade recorde com esse equipamento, mas o objetivo dos cientistas não era alcançar um tempo recorde para a impressão, senão uma maior velocidade com as outras propriedades bem equilibradas, como o custo, solidez e produtividade.

Com este método, pode permitir que a impressão 3D possa deixar de ser quase exclusiva para a produção de protótipos e seja usado na produção final, já que no mercado tem só 7% a comparação do moldado líquido tradicional.

O setor automotivo tende a criar veículos que tenham um funcionamento cada vez mais automático, desde apertar um botão para subir o vidro até a pilotagem automática. Para que os veículos possam conduzir de forma autónoma, são necessários vários sensores que irão indicar ao veículo o que fazer em várias situações.

Há um grande interesse na produção de vários milhões de veículos autônomos em um futuro próximo, o que exigirá vários sistemas de controle para garantir que sejam seguros para essa operação. Um grupo de cientistas, vendo isso, desenvolveu sensores para pneus inteligentes, para se ter um subsistema de controle e comunicação entre os pneus e a estrada, proporcionando uma detecção de parâmetros que atuem entre eles em tempo real.

Muitos estudos foram realizados, e recentemente os sensores baseados em grafeno mostraram alto desempenho e sensibilidade aumentada, tornando-os perfeitos para esta função. Os cientistas desenvolveram sensores impressos em 3D embutidos diretamente nos pneus, juntamente com um coletor de energia piezoelétrico embutido no pneu para alimentar os sensores e transmitir os dados sem fio, além da aprendizagem automática para análise de dados preditiva. Neste trabalho, o preço de um sensor impresso em 3D é estimado em cerca de 2,7 centavos.

A impressão 3D foi realizada pelo método de deposição em aerossol com tinta de grafeno, cálculos teóricos foram realizados para a modelagem. E para sua viabilidade foi desenvolvido um algoritmo de aprendizagem automática para estimar a pressão dos pneus. A maioria dos dados estava próxima da linha de erro zero.

Este trabalho nos mostra uma solução para evitar que os dados entre o sistema de monitorização da pressão dos pneus (TPMS) e a unidade central de processamento (CPU) sejam comprometidos, ou seja, as informações que a CPU receber da pressão dos pneus não será enganoso.

Esta pesquisa está publicada na revista Nature.

Com a impressão 3D podemos desenhar um objeto em um computador e fabrica-lo com maior facilidade que outros métodos, mas ainda existem certos pontos negativos como os resíduos da fabricação que aumentam os custos, além de outros fatores.

Pesquisadores estudaram a fotocura, uma forma de impressão 3D, que permite a solidificação de um modelo 3D na interface de cura. Ele se tornou uma técnica promissora com uma variedade de aplicações. É mais eficaz do que outros processos, como para a construção de estruturas finas, uma vez que os outros processos têm baixa eficiência quando utilizado material úmido ou material líquido. Nas outras técnicas, a adesão, o resíduo de resina líquida no recipiente que contem a tinta e na superfície sólida curada limitam a construção em alta resolução e aumenta os custos, especialmente quando se usa resinas caras.

Inspirando-se na superfície natural da flor de lótus, o líquido na superfície pode reduzir muito a adesão interfacial no substrato, resultando no modo de contato esférico de uma gota. Pensando nisso, um grupo de cientistas tentou fazer estruturas 3D a partir de uma única gota de alta eficiência com o uso de material úmido e limpo. Isso se deve à propriedade de recuo da linha de contato trifásica (TCL) do cordão de resina.

De acordo com a teoria, há três interfaces envolvidas: a interface entre a resina líquida e a resina curada, a interface entre a resina curada e a interface de cura e a interface entre a resina líquida e a interface de cura, que devem atender a certos critérios de aderência entre eles para os quais os cientistas testaram a capacidade de impressão 3D de uma gota comercial flexível, verificando assim a relação entre as interfaces.

Eles mostraram que na técnica de impressão 3D de uma gota, a eficiência na utilização do material líquido e a força de desumidificação dependem do peso da gota, da área de projeção da fonte de UV e do padrão de projeção da fonte de UV. Portanto, com um tamanho de gota menor, pode se ter uma espessura menor aderida. Uma maior área de superfície da estrutura 3D produz mais resíduos e diminui a eficiência de uso. Mas isso aumenta ao variar o padrão de projeção UV de um formato redondo para um formato de ranhura em V, que influencia na morfologia da linha de contato e a distribuição 3D da resina líquida.

Portanto, essa nova técnica pode minimizar desperdícios e melhorar a eficiência, reduzindo custos. A impressão 3D de gota única será de grande importância para a fabricação sob demanda.

Esta pequisa está publicada na revista Nature.

A impressão 3D vem sendo estudada em muitos campos da ciência, como na biotecnologia, síntese farmacêutica, engenharia, etc. A ideia de usar este processo surgiu pela busca de novas rotas sintéticas para a conversão de recursos não petrolíferos em combustível líquido por diferentes processos, os quais têm sido estudados por muito tempo, e que eram inviáveis em aplicações industriais devido ao seu alto custo. Com isto em mente, o grupo de pesquisadores decidiu usar a impressão 3D de metais para fabricar os reatores autocatalíticos (SCR) e para a preparação de catalizadores, e assim, reduzir os elevados custos e tamanho dos reatores e melhorando a eficiência energética.

Foi utilizado diferentes técnicas de impressão 3D para fabricar o reator e o catalizador separadamente, para então superar os problemas de baixa velocidade de impressão e complexibilidade, podendo também ser aplicada em condições extremas, como em alta temperatura e pressão.

Foram fabricados reatores com diferentes seções transversais para converter moléculas de C1 (incluídos CO, CO2 y CH4) em produtos de alto valor agregado. Foi demostrado que a geometria da seção transversal impressa dos SCRs pode melhorar drasticamente a sinergia entre o catalizador e o reator para controlar a distribuição do produto catalítico. A superfície interna, volume do canal e a estrutura espacial são fatores que afetam o controle da síntese química.

Esta pesquisa oferece uma alternativa para favorecer a sinergia entre reatores e catalizadores, podendo impulsionar novos desenhos para o futuro dos sistemas catalíticos para tecnologias baseadas na impressão 3D.