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.

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).

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.

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.

O fosfato de cálcio é um tipo de cerâmica bioativa composta por íons de cálcio e fósforo. Por sua composição química ser semelhante ao tecido ósseo natural, é amplamente utilizado na área da medicina. Não só tem boa biocompatibilidade, como também pode formar ligações químicas com o novo tecido ósseo. Assim, podendo induzir a regeneração do tecido.

Entre os fosfatos de cálcio, a hidroxiapatita (HA) é a fase cristalina termodinamicamente mais estável do fosfato de cálcio nos fluidos corporais, sendo mais semelhante às partes minerais dos nossos dentes e ossos. A hidroxiapatita em nanoescala tem certas semelhanças com a apatita óssea (natural) em relação à sua composição química, estrutura e escala. 

Na microestrutura da biocerâmica nanométrica, os grãos refinados e o aumento dos números dos contornos de grão podem fazer com que suas propriedades mecânicas (principalmente tenacidade à fratura) e atividade biológica aumentem. Isso torna a nanohidroxiapatita (nano-HA) um material ideal para reparo ósseo. 

Assim, o processo de preparação da nanocerâmica não é muito diferente do da cerâmica comum (geralmente segue o processo de sinterização do pó), mas do ponto de vista técnico, o processo de preparação da nanocerâmica é extremamente difícil e é esse ponto de vista que os autores apresentam no artigo.

Em resumo, as duas maiores dificuldades na preparação de hidroxiapatita nanométrica residem na síntese do pó nanométrico (devido a alta área de superfície, que se torna fácil de aglomerar) e na sinterização da nanocerâmica (para inibir o crescimento de grão da nanocerâmica).

Os métodos de síntese do pó cerâmico de hidroxiapatita incluem principalmente síntese seca e síntese úmida. A preparação da síntese a seco é um método de preparação que consiste em selecionar um precursor, misturá-lo e, em seguida, tratar termicamente o precursor. 

Este método tem requisitos rigorosos quanto à pureza e dosagem dos reagentes e tem a vantagem de uma melhor cristalinidade dos produtos. No entanto, a síntese a seco requer uma temperatura relativamente alta, o que afeta a porosidade dos produtos. 

A síntese úmida consiste no método sol-gel, método de precipitação química, método de reação hidrotérmica e assim por diante, que é realizado em água ou solventes orgânicos e pode ser aplicado a uma variedade de equipamentos com a adição de vários catalisadores. 

As vantagens são que a estrutura e a morfologia da cerâmica podem ser bem controladas e o rendimento pode ser melhorado. A desvantagem é que a pureza e a cristalinidade geradas não são totalmente controladas e pode haver outros cristais de fosfato no produto.

Além disso, de acordo com os vários métodos de síntese, os pós têm certas diferenças em estrutura, morfologia e tamanho. Além disso, sob o mesmo método de síntese, diferentes condições de síntese também afetam a morfologia final do pó.

Este artigo resumiu o processo de síntese das nanopartículas cerâmicas nos seguintes aspectos: concentração de reagentes, efeitos da temperatura, efeitos de tensão (no processo de moagem), efeitos do pH, efeitos dos aditivos, efeitos da agitação dos reagentes e efeitos do tempo de envelhecimento.

Figura 1: Nanopartículas de hidroxiapatita (a) esféricas; (b) semelhantes a bastões (c) semelhantes a agulhas, resultantes do controle diferentes parâmetros no processamento do pó. Fonte: (Gui et al. 2022).

Em relação à concentração, a concentração dos reagentes é o fator chave que afeta a síntese da hidroxiapatita. A razão cálcio/fosfato (Ca/P) é 1,6, então a concentração dos reagentes determina a pureza da hidroxiapatita e também afeta o tamanho do grão sob certas condições.

Na temperatura e sobre os aditivos, os autores citam que quanto mais alta for a temperatura, mais rápida a velocidade da reação e mais fácil é a nuclearização e cristalização do pó cerâmico.

No processo de moagem (efeitos de tensão), os autores citam que quando a pressão de moagem atinge um valor crítico, a reação começa e conforme a pressão aumentar, mais rápida a taxa de reação, que aumenta a taxa de cristalização do pó cerâmico, reduzindo a cristalinidade e tamanho de grão.

Já em relação ao pH, os autores sugerem que o aumentando o pH, aumenta a relação Ca/P, e portanto, se você deseja sintetizar a hidroxiapatita pura, deve controlar rigorosamente o valor do pH. Os autores citam que, geralmente, o valor de pH da síntese úmida está entre 10 e 10,5.

Já sobre os efeitos de agitação e do tempo de envelhecimento, os autores citam que a velocidade de agitação mais alta e o tempo de agitação mais longo afetam a morfologia do cristal e que na fase de envelhecimento, quanto mais longo o envelhecimento tempo é, melhor a formação do grão do pó cerâmico.

Os autores concluem que ainda existem muitos problemas na preparação de nanocerâmicas, incluindo a síntese das nanopartículas e na sinterização de cerâmicas, que ainda precisam ser mais estudadas. Além de ser necessário otimizar ainda mais a tecnologia do processo.

O que aponta fortemente para a importância da engenharia de materiais e toda sua gama de aplicação, tanto na melhoria do processo, como na melhoria da tecnologia dos equipamentos e também na aplicação dos materiais nanoparticulados, que no caso do artigo citado podem ser aplicados em carreadores de drogas, revestimentos de superfície, na quimioterapia antineoplásica e em materiais compósitos.

O concreto é um dos principais materiais da engenharia civil, e o concreto reforçado com fibra de aço é um dos principais materiais compósitos formados por concreto para reduzir trincas e, consequentemente, o risco de fraturas.

Os materiais excedentes formados pelo processo de usinagem, por exemplo, são utilizados como fibras de aço, ou seja, são fibras de aço recicladas. Utilizando essa fibra reciclada ao invés da fibra de aço primária ao concreto, é formado o concreto com fibra de aço reciclada (objeto de estudo deste artigo), que se torna outra forma inovadora de formar concretos de materiais compósitos.

Além disso, a fibra de aço reciclada não precisa ser reprocessada, o que reduz a emissão de gases do efeito estufa e o acúmulo de resíduos sólidos, além de encontrar um novo método para proteger o solo da poluição. Portanto, é uma escolha ideal substituir parcialmente a fibra de aço primária pela fibra reciclada. 

Através da pesquisa e análise da proporção de mistura, abatimento (ensaio para a determinação da consistência do concreto), resistência e tenacidade do concreto com a fibra de aço reciclada, os autores chegaram em quatro conclusões a serem discutidas a seguir.

A primeira conclusão que os autores chegaram é que o abatimento (ensaio de consistência) do concreto diminui com o aumento da fibra reciclada. Ou seja, quanto mais fibra de aço reciclada, em teor de volume, é presente no concreto, menor a consistência do material, indicando um desempenho no fluxo do concreto.

Figura 1: Teste do abatimento (ensaio de consistência): (a) preenchimento do cilindro de abatimento e (b) teste do abatimento. Fonte: (Gao et al. 2022).

A segunda conclusão é sobre a  resistência à compressão do concreto, que aumentou com o aumento do teor volumétrico da fibra, sendo estimada em 1,0% o teor volumétrico razoável de fibra no concreto. Os autores afirmaram que a resistência à compressão do corpo de teste e a resistência à compressão axial, com 28 dias de cura, foram aumentadas em 11,8 e 16,1%, respectivamente, em comparação com o concreto normal.

Figura 2: Teste de compressão do corpo de prova: (a) dispositivo de teste e (b) processo de teste. Fonte: (Gao et al. 2022).

Assim, a terceira conclusão dos autores é que a resistência à tração e resistência à flexão do concreto com a fibra reciclada foram maiores do que as do concreto normal e aumentam com o aumento do volume de fibra de aço reciclada. 

Além disso, a quarta conclusão dos pesquisadores foi que a fibra reciclada pode aumentar significativamente a tenacidade do concreto, aumentando com o aumento do volume de fibra de aço reciclada. Porém, os autores notaram que quando o teor de volume é de 1,0%, o efeito de tenacidade da fibra primária (não reciclada) no concreto é um pouco melhor do que o da fibra reciclada.

Concluindo, o mundo consome quase 100 milhões de toneladas de aço todos os anos para fabricar vários tipos de fibras de aço, enquanto produz até 200 milhões de toneladas de materiais excedentes por meio do processamento por ano. 

Se esses resíduos forem transformados em fibras de aço recicladas, eles não apenas podem reduzir o desperdício de recursos, mas também podem contribuir para a redução da poluição mundial.

A demanda por eletrodos flexíveis que combinam a capacidade de armazenamento de energia em dispositivos com altas propriedades mecânicas é presente em todo o mundo, pois tem um grande potencial para reduzir massa e volume, bem como prolongar a vida útil de eletrônicos flexíveis quando comparados aos eletrodos convencionais.

Existem dois problemas sérios que fazem com que o projeto de eletrodos convencionais seja inadequado para dispositivos flexíveis: estrutura insuficiente do eletrodo baseado na montagem desordenada dos componentes e pela adesão de pó aglutinante, levando a propriedades mecânicas ruins; e por causa dos caminhos condutores dos eletrodos que podem ser danificados sob forças externas.

Portanto, os autores visaram explorar uma estratégia de projeto eficaz para projetar eletrodos avançados com flexibilidade, estabilidade mecânica e eletroquímica suficiente, juntamente com alta densidade de energia, substituindo os modos convencionais na construção de eletrodos.

Neste artigo, os autores desenvolveram um design da estrutura de eletrodo ordenado e hierárquico para fabricar filmes de TiO2-C (dióxido de carbono-titânio) de alta resistência, mecanicamente estáveis e flexíveis, montados por uma abordagem simples de "bottom-up" com base em filmes altamente ativos, porosos e laminados nas subunidades dos nanotubos de carbono. 

Na configuração da subunidade, os CNTs (carbon nanotube - nanotubo de carbono) foram entrelaçados e as NPs (nanoparticles - nanopartículas) de TiO2 altamente dispersas foram fixadas num plano de celulose com grupos funcionais ativos e grande área superficial para formar uma rede condutora contínua incorporada com partículas ativas.

A estrutura única de TiO2 (dióxido de titânio) obtida permitiu que os eletrodos fabricados apresentassem flexibilidade e resistência mecânica de até 60 MPa, alta durabilidade (os autores afirmam que pode ser dobrado até 11.700 vezes), boa condutividade e excelentes desempenhos eletroquímicos.

Figura 1: Imagem de um pequeno papel preparado dobrando o filme de TiO2-C. Os autores apontam a atenção para o canto do papel dobrado, mostrando a boa flexibilidade e estabilidade mecânica do filme. Fonte: (Wang et al. 2021).

Concluindo, os autores citam que a alta resposta elétrica do material, a porosidade e a rede condutora contínua garantem que esses eletrodos de filme de TiO2-C alcancem alta capacidade específica, de nível comercial, boa capacidade de taxa e desempenho de ciclismo de longo prazo em baterias de íons de sódio. 

Este projeto dos filmes à base de TiO2 compostos por subunidades de nanofolhas porosas de TiO2-C realizou a junção de desempenhos eletroquímicos e propriedades mecânicas, além de fornecer uma maneira prática e viável para a próxima geração  de baterias de íons de sódio com alta performance, flexíveis e de alta energia.

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.

As condições de serviço com relação às vedações de borracha são principalmente baseadas no estado de deslizamento dinâmico, com alto coeficiente de atrito, o que pode comprometer a segurança do equipamento e a vida útil do serviço. Os filmes de carbono tipo diamante (DLC - diamond like carbon) têm sido os candidatos ideais para a modificação tribológica de superfícies de borracha devido às suas excelentes propriedades tribológicas nas últimas duas décadas.

O carbono tipo diamante é uma classe de materiais amorfos que possuem inércia química superior e resistência à corrosão. Apresenta um coeficiente de atrito (CoF - coefficient of friction) extremamente baixo, o que o torna um dos lubrificantes sólidos mais promissores da engenharia. A pesquisa em DLC/borracha tem sido realizada nas últimas duas décadas devido à sua boa compatibilidade química (de onde os principais componentes são carbono e hidrogênio).

O artigo aponta que o filme de DLC melhora significativamente o desempenho de fricção e desgaste da superfície de borracha, o que reduz drasticamente o coeficiente de atrito da superfície de borracha. No entanto, aplicar filmes duros a um substrato macio ainda é um desafio encontrado pelos autores. A deformação na borracha macia induz a fratura dos filmes duros, e posteriormente, a esfoliação dos filmes DLC, que pode causar desgaste severo.

Uma superfície limpa promove uma boa adesão entre os filmes e o substrato. A limitação de temperatura da borracha torna a limpeza por plasma um método alternativo para obter uma superfície limpa. Um plasma de argônio foi usado pelos autores na pesquisa para tratar a superfície da borracha antes da deposição dos filmes de DLC.

Eles notaram que a diferença morfológica sob tensão, entre borracha tratada com plasma e não tratada por plasma, revela que o tratamento com plasma fortalece a adesão interfacial. Quando a tensão é liberada, todas as trincas retornaram à sua microestrutura inicial. Assim, nenhuma perda de camada das manchas de filme foi observada pelos autores.

Isso indica que o filme DLC adere bem ao substrato de borracha após o tratamento com plasma. A modificação da morfologia da borracha e a mudança da temperatura no início da deposição foram responsáveis pelo aumento da adesão. 

Figura 1: Morfologia do filme DLC depositado não-tratado (esquerda) e do filme DLC pré-tratado com plasma argônio (direita) após ser esticado em tensão máxima. Fonte: (Liu et al, 2022).

Embora os filmes de DLC apresentem baixo CoF na superfície de borracha, o consumo de desgaste das camadas de DLC é o principal fator determinante da vida útil de proteção da peça. O aumento da espessura é uma forma alternativa de prolongar a vida útil dos filmes DLC. No entanto, tensões consideráveis são geradas com o aumento da espessura.

Os autores concluem que depois de melhorar a propriedade de resistência ao desgaste, o aumento da força de carga pode deixar de ser um desafio para a borracha revestida com DLC. Assim, a borracha pode suportar condições severas de fricção. Devido à extensa aplicação de materiais macios no ambiente de atrito, o estudo realizado é vital para diminuir o desperdício causado pelo atrito.

Nas últimas quatro décadas, os foguetes têm sido cada vez mais utilizados para explorar a atmosfera e o espaço. Muitos desses usos foram benéficos para a civilização, como colocar satélites (e sistemas de satélites) em órbita. Esses satélites têm sido usados para várias investigações científicas, monitoramento do clima e investigação do sistema solar, enquanto outros tipos de foguetes têm sido usados para explorar asteroides, planetas e o espaço sideral.

Diferentes modelos e cálculos computadorizados são utilizados pelos cientistas de foguetes para prever o desempenho do foguete. Vários fatores e critérios podem influenciar o desempenho dos foguetes, o que é definido como um problema multicritério. Um dos principais critérios que influenciam na tecnologia de foguetes, bem como seu desempenho geral, é o tipo de combustível usado, seja líquido, sólido ou híbrido.

Nos últimos anos, esforços significativos têm sido feitos em todo o mundo para desenvolver propulsores verdes para foguetes como substituto da hidrazina, que é o principal propelente utilizado em foguetes e satélites hoje em dia. Esses materiais verdes híbridos têm o potencial de fornecer impulso de alta densidade, superando o desempenho dos monopropelentes tóxicos mais comuns.

Pesquisas recentes concentram-se na produção e desenvolvimento de novos tipos de materiais adequados para aplicações de alta tecnologia, incluindo propulsão híbrida de foguetes. Para chegar nesse objetivo, os compósitos de fibras naturais são uma alternativa em potencial não apenas para automóveis, fábricas verdes e estrutura aeroespacial, mas também podem ser muito atraentes para o combustível de foguetes híbridos, particularmente aqueles produzidos a partir de polipropileno/fibras naturais, como o núcleo de foguetes combustível do tipo sólido.

Com essa introdução, o artigo apresenta um modelo computacional de hierarquia multicritério que auxilia na seleção da tecnologia de propulsão de foguete mais aplicável de acordo com o requisito de desempenho em vários critérios de avaliação. Definindo mais tecnicamente, o processo de hierarquia analítica (AHP - analytical hierarchy process) é utilizado como uma ferramenta projetada para resolver os problemas de tomada de decisão de multicritérios (MCDM - multi-criteria decision-making).

No artigo de estudo, o modelo de processo de hierarquia analítica foi utilizado para aprimorar decisões mais informativas a partir de informações numéricas e linguísticas sobre o desempenho do combustível baseado em um material híbrido verde em ambiente incerto.

Os autores definiram os critérios que afetam o desempenho do foguete de diferentes pontos de vista, sendo eles: o desempenho (impulso específico), o tamanho (densidade de massa), a estabilidade (facilidade de partida e direção), a segurança, o custo e a operacionalidade.

Concluindo, o modelo hierárquico de tomada de decisão construído pelos autores foi capaz de avaliar melhor o desempenho de vários tipos de materiais combustíveis, assim como selecionar o material mais adequado para a tecnologia de propulsão de foguetes em ambientes diferentes. Além disso, o modelo considerou várias avaliações simultâneas e critérios conflitantes para demonstrar de forma prática questões econômicas, técnicas e sustentáveis para o tomador de decisão nessa área.

Dizem também que, por demonstrações, o foguete de propulsão líquida foi o preferido em relação ao desempenho, estabilidade e controle dos critérios de ignição, mas o pior em relação à sensibilidade explosiva, nível de toxicidade e operabilidade. Já o de propulsão sólida foi o melhor em relação ao nível de toxicidade, custo e critérios de operacionalidade, mas é o pior em relação ao desempenho, tamanho, estabilidade e controle dos critérios de ignição. O modelo de propulsão híbrido foi o melhor em relação ao tamanho e sensibilidade à explosão, mas não o pior em nenhum dos critérios considerados.

Por fim, o modelo de hierarquia analítica proposto foi implementado com sucesso para resolver o problema de conflito multicritério, além de fornecer um instrumento valioso para testar a avaliação e alternativas, reduzindo assim os atrasos na tomada de decisão em relação à avaliação de diferentes tecnologias de propulsão para foguetes químicos.

As empresas de manufatura estão enfrentando tempos delicados, enfrentando ciclos de inovação mais rápidos e manufatura mais ágil para responder às demandas do mercado. Os desafios na manufatura vêm de tecnologias antigas e processos desatualizados, enquanto a indústria 4.0 está transformando o mundo da manufatura em direção a novos negócios e operações de manufatura.

Com isso, a fabricação como serviço (MaaS - Manufacturing-as-a-Service) está avançando por meio de plataformas de fabricação digital e simplificando cada vez mais as cadeias de suprimentos, criando capacitadores para encontrar produção rápida e econômica com empresas que possuem capacidade de fabricação. atualmente a maioria dos operadores da fabricação como serviço estão operando em áreas como usinagem e impressão 3D.

Como resultado da transformação digital da manufatura e da Indústria 4.0, os sistemas de manufatura estão sendo cada vez mais vistos como sistemas de informação. Dados e informações digitais são trocados entre diferentes partes em relação a produtos (projetos de produtos digitais) e sistema de produção.

A questão chave do artigo é se a fabricação de serviços baseados em habilidades robóticas totalmente automatizadas é tecnicamente viável explorando dados de produtos digitais, que é justificado por seu potencial de grande melhoria na eficiência de fabricação.

A implementação de serviços de manufatura ágil implica essencialmente no compartilhamento de dados e informações relacionados à manufatura entre as fronteiras da empresa. A orientação a serviços e dados permite a aceitação flexível de um conjunto abrangente de operações de fabricação, desde que as informações necessárias estejam disponíveis. Por outro lado, os autores afirmam que as orientações de serviço e dados também implicam que as operações do dispositivo nas instalações de fábricas sejam parametrizadas e configuráveis. 

Mais ainda, afirmam que essencialmente as operações automáticas de fabricação robotizada requerem dados detalhados, especialmente no que diz respeito aos aspectos geométricos de peças e produtos. 

Os autores descrevem que um robô funciona através de um controle hierárquico, que satisfaz as necessidades de realização das tarefas desejadas. Com isso, as "habilidades" de um robô é representada pela operação de modelos comportamentais e pela integração dos sensores utilizados nas operações.

A implementação do sistema proposto pelos autores foi avaliado de maneira qualitativa: tentativas e testes, realizando comunicação de ponta a ponta, desde pedidos de fabricação de serviços, modelos e receitas de produtos e controle até a relação dos robôs com seus programas de habilidades. Com base na avaliação realizada pelos autores, a arquitetura geral do sistema foi considerada tecnicamente viável e operacional em um ambiente de laboratório, conforme ilustrada na figura 1 a seguir.

Figura 1: Implementação do sistema robótico na detecção e rebarbação de furos. Fonte: Heikkila et al. 2022.

Os autores concluem que foram realizadas, com sucesso, implementações de operações com robôs reutilizáveis com movimentos guiados por visão 3D com habilidades simples ou mais complexas. As habilidades integraram as ações do robô e os dados do sensor. Afirmaram que as operações de produção orientadas a dados podem ser automatizadas com base nos dados do modelo de produto e nos dados do modelo de produção.

Fecham o artigo dizendo que as habilidades robóticas configuráveis e reutilizáveis são os principais recursos necessários no provisionamento eficiente de serviços digitais para o setor de manufatura, bem como na organização de operações de manufatura de maneira flexível para produção orientada por dados.