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SERGIO PISSETTI JUNIOR
PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE PRÓTESE CRANIANA POR MEIO DA POLIMERIZAÇÃO DO METILMETACRILATO
Curitiba
2007
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ Setor de Tecnologia Engenharia Mecânica
Trabalho de Graduação II
SERGIO PISSETTI JUNIOR
PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE PRÓTESE CRANIANA ATRAVÉS DA POLIMERIZAÇÃO DO METILMETACRILATO
Trabalho de graduação apresentado à disciplina Trabalho de Graduação II do Curso de Engenharia Mecânica do Setor Tecnológico da Universidade Federal do Paraná Orientador: Prof. Dr. Dalberto Dias da Costa
CURITIBA 2007
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TERMO DE APROVAÇÃO
SERGIO PISSETTI JUNIOR
PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE PRÓTESE CRANIANA POR MEIO DA POLIMERIZAÇÃO DO METILMETACRILATO
Trabalho de graduação II aprovado como requisito parcial para obtenção da graduação no curso de Engenharia Mecânica do Setor Tecnológico da Universidade Federal do Paraná, pela seguinte banca examinadora:
________________________________________ Prof. Dr. Dalberto Dias da Costa
(Orientador)
________________________________________
Prof. Msc. Nixon Vieira Malveira
________________________________________
Josef Falcon Stanislaw Magalhães
Curitiba,___ de dezembro de 2007
2
AGRADECIMENTOS
À Deus, pois até aqui Ele tem me ajudado.
Ao professor Dalberto Dias da Costa, pela orientação e predisposição
para ajudar sempre.
Ao laboratório protético Rocha, em especial a Odair, por ter colaborado
e transmitido sua experiência sobre resinas e muflas.
À minha prima Carolina por ter contribuído com seu tempo no
empréstimo de livros utilizados neste trabalho.
Ao colega Marko Koelln, por sanar duvidas referentes ao Software
Edge Cam.
Ao colega Sergio Fernando, por compartilhar da mesma experiência e
ir mais a fundo no estudo do tema
Aos meus pais pelo apoio em todos os momentos.
E a todos que de alguma forma colaboraram com este trabalho.
3
RESUMO
O trabalho consiste em utilizar um modelo 3D de um crânio e a partir dele,
definir todo o processo de fabricação de uma prótese através da polimerização do
metilmetacrilato. Para isto será desenvolvido um molde com a utilização do software
Rhinoceros para modelagem 3D e de um CAM, Edge CAM, para gerar a linguagem
de máquina e assim possibilitar a usinagem do molde. Em seguida, é realizada a
mistura do acrílico termopolimerizável dado seqüência nas etapas de polimerização
utilizando como base informações do fabricantes de resinas e também alguns testes
realizados durante o trabalho.
4
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Prótese fixada com fixadores de titânio ....................................................10
Figura 2 - Processo de polimerização .......................................................................15
Figura 3 - Prototipagem de um biomodelo oriundo de um modelo virtual .................21
Figura 4 - Exemplos de produtos obtidos por Prototipagem .....................................21
Figura 5 - Uma das imagens tomográficas utilizada na reconstrução 3D da região do
crânio. .......................................................................................................................24
Figura 6 - Mufla convencional utilizada por protéticos...............................................25
Figura 7 - Mufla realizando sua função de enclausuramento....................................25
Figura 8 - Modelo digital STL e as superfícies interna e externa separadas para a
construção do molde. ................................................................................................26
Figura 9 - Tela do Software Rhinoceros durante projeto do molde ...........................27
Figura 10 - Simulação do molde no momento do fechamento ..................................27
Figura 11 - Prensa utilizada em laboratório protético ................................................28
Figura 12 - Exportando arquivo do Rhinoceros para o formato IGES próprio para o
Edge CAM.................................................................................................................28
Figura 13 - Simulação de usinagem no Edge CAM...................................................29
Figura 14 - Tela do Edge CAM, mostrando a tela principal para manipulação do pós-
processador...............................................................................................................30
Figura 15 – (a) porta-molde preso em uma morsa sobre a mesa do centro de
usinagem, (b) usinagem da cavidade do molde. .......................................................31
Figura 16 – descanso da mistura ..............................................................................32
Figura 17 – prensagem do molde..............................................................................32
Figura 18 - Alguns problemas identificados na prótese acabada: 1,3 e 4 falhas de
preenchimento, 2 bolha provocada por infiltração de água no molde, 5 porosidade
excessiva...................................................................................................................33
5
LISTA DE SIGLAS
CAD – Computer Aided Design
PR – Prototipagem Rápida
CAM – Computer Aided Manufacturing
CNC – Comando Numérico Computadorizado
TC – Tomógrafo Computadorizado
2D - Bidimensional
3D – Tridimensional
IGES - Initial Graphics Exchange Specification
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO.....................................................................................................7
1.1. PROBLEMA.....................................................................................................7
1.2. OBJETIVO.......................................................................................................8
1.3. JUSTIFICATIVA...............................................................................................8
1.4. ESTRUTURA DO TRABALHO ........................................................................9
2. REVISÃO DA LITERATURA.............................. ...............................................10
2.1. CIRURGIAS CRANIANAS.............................................................................10
2.2. CARACTERÍSTICAS DOS MATERIAIS UTILIZADOS EM CRANIOPLASTIA11
2.3. DEFINIÇÃO DE BIOMATERIAIS...................................................................12
2.4. ACRÍLICO......................................................................................................13
2.4.1. Polimerização de resinas acrílicas ...................................................................14
2.4.2. Proporção monômero x polímero .....................................................................15
2.4.3. Polimerização pelo método de imersão em água (convencional) .....................16
2.4.4. Polimerização pelo processo de microondas (aquecimento dielétrico).............17
2.4.5. Problemas na polimerização ............................................................................20
2.5. PROCESSOS PARA FABRICAÇÃO DE PRÓTESES...................................20
2.5.1. Prototipagem rápida .........................................................................................21
2.6. CONFORMAÇÃO ..........................................................................................22
2.7. USINAGEM DIRETA......................................................................................23
2.8. USINAGEM INDIRETA OU FUNDIÇÃO EM MOLDE USINADO...................23
3. METODOLOGIA........................................ ........................................................24
3.1. FABRICAÇÃO DO MOLDE DA PRÓTESE ...................................................24
3.1.1. Geração do comando numérico para usinagem do molde ...............................28
3.1.2. Termo-polimerização do PMMA .......................................................................31
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................ ..........................................34
4.1. VANTAGENS E DESVANTAGENS DA METODOLOGIA APRESENTADA..34
4.2. PROBLEMAS ENCONTRADOS....................................................................34
5. CONCLUSÃO.......................................... ..........................................................36
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................... ........................................37
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1. INTRODUÇÃO
A cada dia, a engenharia evolui e se torna tão ampla que passa a ser
utilizada não só em áreas ditas exatas e tecnológicas, mas também em áreas mais
próximas ao ser humano, e que chamamos de Bioengenharia. A engenharia exerce
influência até mesmo na melhoria direta da saúde das pessoas através do
desenvolvimento de maquinas para realização de exercícios, equipamentos para
auxílio em cirurgias, desenvolvimento de próteses e novos materiais que, em muitos
casos, ajudam a salvar vidas.
Dentro do tema chamado prótese, verifica-se uma grande evolução dos
procedimentos cirúrgicos, e paralelamente dos equipamentos e materiais utilizados.
Sejam por causa de acidentes de carro, acidentes de trabalho, acidentes
domésticos, doenças ou problemas congênitos, às vezes existe a necessidade de
cirurgias em partes do corpo para reconstrução, retirada de tecido benigno/maligno
(como é o caso de um câncer, por exemplo) ou alívio de pressões internas, devido a
um eventual trauma. Quando essas cirurgias são realizadas no crânio, ou se devido
a algum acidente há uma perda óssea, é preciso repô-la, com o objetivo principal de
proteger os tecidos internos (o cérebro, no caso), além de questões estéticas.
Hoje em dia já existem alguns procedimentos que repõem essa massa
óssea faltante, criando uma prótese de material biomédico que se encaixa no local
necessário. O procedimento ainda é em grande parte manual e, em muitos casos, o
médico projeta, fabrica e implanta a prótese in situ, na hora da cirurgia.
1.1. PROBLEMA
Os procedimentos de cranioplastia intra-operativos levam a um tempo
cirúrgico elevado, além de ser cansativa para o médico, pode ser prejudicial ao
paciente, tornando-o sujeito a infecções, além da elevada permanência sob a ação
de anestésicos. Estudos comprovam que quanto maior a duração da cirurgia, maior
é o tempo de recuperação, e maiores são os riscos de infecção e a probabilidade de
problemas pós-operatórios para o paciente (PEREIRA, 2004). Além de o médico
realizar o procedimento no instante da cirurgia, a qualidade da prótese e resultados
8
posteriores dependem muito da experiência e habilidade do profissional, portanto,
tendo resultados variados em função desta subjetividade.
O risco de infecção da ferida cirúrgica está diretamente relacionado com as
condições individuais do paciente, com o tipo de cirurgia por potencial de
contaminação (limpas, potencialmente contaminadas, contaminadas e infectadas),
com a duração, a extensão e o procedimento técnico. O manuseio excessivo, com
deslocamento de tecidos além do necessário, leva a sangramentos e transpirações,
à irrigação sanguínea inadequada que permite a formação de seromas e
hematomas, sutura defeituosa e à formação de espaços mortos, áreas de isquemia
(onde houve supressão da circulação) ou necrose levam à proliferação de bactérias
por isso a técnica operatória é crucial. (PEREIRA, 2004). Além disso, os custos por
hora de cirurgia são muito elevados, portanto, desenvolveram-se procedimentos que
realizam planejamentos cirúrgicos tridimensionais baseados em dados obtidos por
tomógrafos computadorizados. Com a utilização de softwares apropriados, o
cirurgião pode planejar com exatidão o procedimento cirúrgico e o tratamento pós-
operatório e assim fazer uma pré-avaliação dos resultados antes mesmo da cirurgia
(TROULIS et al.2002).
1.2. OBJETIVO
O objetivo desse estudo é desenvolver um processo de fabricação para uma
prótese craniana por meio da fundição em molde, capaz de reproduzir uma peça
com condições muito semelhantes à região do crânio afetada.
1.3. JUSTIFICATIVA
A justificativa para este trabalho é realizar um estudo inicial para um método
específico de fabricação de próteses, uma vez que não existem processos bem
definidos, bem estabelecidos, e conseqüentemente difundidos.
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1.4. ESTRUTURA DO TRABALHO
A estrutura do trabalho está dividida da seguinte forma: Na próxima sessão é
apresentada uma revisão onde será abordada cirurgia craniana, biomateriais, em
específico o acrílico, além de alguns processos de fabricação utilizados na
cranioplastia. Na seqüência é apresentada a metodologia experimental do trabalho,
os resultados obtidos e as considerações finais.
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2. REVISÃO DA LITERATURA
2.1. CIRURGIAS CRANIANAS
As cirurgias realizadas para correção de partes do crânio são chamadas de
cranioplastia. Em 1953, Willian Spence, popularizou o uso do Polimetilmetacrilato
(PMMA) como um material para cranioplastia. Muitas técnicas cirúrgicas
desenvolveram-se para anexar o acrílico aos defeitos do crânio.
Uma destas técnicas consiste em fazer furos na prótese de acrílico com furos
correspondentes ao redor do osso para então realizar a sutura. Muitos cirurgiões
utilizam deste tipo de técnica para substituição de fatias do crânio, porém, neste
processo, existem algumas desvantagens. O reparo desta forma não é rígido e pode
muitas vezes penetrar na região afetada, especialmente se nenhum osso ou união
fibrosa formar entre o crânio e o acrílico.
Devido a tais problemas, outra técnica foi desenvolvida com a finalidade de
aumentar a resistência do implante. Esta técnica consiste em fixar a prótese de
acrílico através de chapas de titânio pré-fabricadas. Estas chapas devem estar
posicionadas eqüidistantes entre si e são aparafusadas ao crânio utilizando-se de
parafusos auto-atarraxantes. Uma vez fixadas as chapas, prepara-se a prótese de
acrílico. Quando esta estiver com uma consistência adequada, é colocada em cima
do defeito sobre cada placa de titânio (estas placas estão estendidas por sobre a
região do defeito). As placas ficam então dentro do acrílico, conforme Figura 1.
Figura 1 - Prótese fixada com fixadores de titânio
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Esta técnica facilita a retirada da prótese (se necessário) e a recolocação, bastando
apenas à retirada dos parafusos atarraxados no crânio. Do ponto de vista médico,
temos algumas vantagens para este tipo de solução:
1. Redução do tempo de cirurgia, tendo como conseqüência redução de
custos e também redução dos riscos de infecção.
2. Este método permite maior rigidez e conseqüentemente maior proteção
para a região afetada.
3. Evita-se ter que furar o acrílico e assim prevenindo uma possível quebra
da prótese ou aparecimento de trincas.
4. A rigidez obtida evita complicações como deslocamentos, infecções, e
instabilidade.
5. Facilidade de retirada e recolocação da prótese para realização de
exames.
2.2. CARACTERÍSTICAS DOS MATERIAIS UTILIZADOS EM CRANIOPLASTIA
Convencionalmente os defeitos do crânio são tratados com transplante de
osso ou implantes manuais de polimetilmetacrilato. A utilização de implantes de
titânio foi desenvolvida, porem, o fato do titânio não ser biodegradável pode trazer
problemas no futuro caso ele fique exposto e assim cause condução de calor.
Para os materiais biodegradáveis, existem propriedades muito importantes
tais como indica Bazan (2004):
• Macro estrutura – A prótese deve imitar as funções fisiológicas nativas da matriz
extracelular para manter a habilidade das células em expressar seus fenótipos
diferenciados originais.
• Porosidade e interconectividade dos poros – A prótese deve possuir uma
geometria do poro com uma superfície altamente porosa e uma micro estrutura
que permita o crescimento e reorganização das células e ao mesmo tempo
forneça espaço necessário para vascularização dos tecidos vizinhos. A
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porosidade e o grau de interconectividade afetam diretamente a difusão de
nutrientes e gases liberados pelo metabolismo.
• Tamanho do poro – Para cada tipo de tecido temos um diferente tipo de
arquitetura necessário. Na regeneração de tecidos ósseos, pesquisadores
indicam a necessidade de poros com tamanhos entre 200 e 400 µm. Quando os
poros são muito pequenos, pode ocorrer oclusão pelas próprias células, não
deixando assim ocorrer à penetração celular e conseqüente elaboração da
matriz.
• Área da superfície e superfície química – Uma grande área interna é necessária
para acomodar o grande numero de células necessárias. Isto deve ser levado em
conta e balanceado com a porosidade necessária, dependendo da aplicação da
prótese.
• Propriedades mecânicas – A prótese deve possuir uma resistência tal que
proporcione manter os espaços necessários para o crescimento e formação da
matriz celular.
2.3. DEFINIÇÃO DE BIOMATERIAIS
Biomateriais são substâncias de origem natural ou sintética que são
“absorvidas” de forma provisória ou permanente pelos seres vivos. Estes materiais
não devem causar reações no organismo, e desta forma podemos defini-los como
biocompativeis. Para que o material seja considerado um biomaterial, ele deve
apresentar mais algumas características (específicas para reconstrução de crânio),
tais como:
• Radiopacos (como descrito para o acrílico)
• Facilmente configurados na forma que preenche a deformidade
• Capaz de manter o seu volume a longo prazo após o implante
• Disponibilidade
• Osteoatividade – induzir a substituição do biomaterial por osso num índice
igual a reabsorção do biomaterial
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2.4. ACRÍLICO
Para realização deste trabalho, será utilizada uma resina sintética, a resina
acrílica conhecida como poli (metilmetacrilato-PMMA) (PHILLIPS, 1993). As resinas
sintéticas são freqüentemente chamadas de polímeros. Um Polímero é uma
substância que embora tenha estabilidade dimensional no uso normal, apresenta
comportamento plástico em alguma fase da fabricação.
As resinas são usualmente polímeros denominados termoplásticos quando
amolecem novamente se reaquecidas, e termopolimerizáveis quando se tornam
resistentes a deformações após a aplicação de calor (ANUSAVICE, 1998). As
resinas acrílicas são derivadas do etileno e contém um grupamento vinílico na sua
forma estrutural. A composição de uma substância polimérica é costumeiramente
descrita em termos de suas unidades estruturais, como já indicado na etimologia do
termo polímero, ou seja, muitas partes. A polimerização ocorre através de uma série
de reações químicas, nas quais uma macromolécula ou um polímero é formado a
partir da união de um grande número de moléculas unitárias, chamadas de
monômeros. Um grande número de moléculas individuais com baixo peso molecular,
de uma ou mais espécies, reagem entre si para formar uma única molécula maior e
com alto peso molecular (PHILLIPS, 1993).
Este sistema é comercializado sob a forma de pó e liquido. O pó é o
metacrilato de metila, na forma de partículas esféricas muito pequenas e é
proveniente do "líquido acrílico" que por um processo de polimerização por
suspensão se transforma em "pó". Essa transformação se faz com auxílio de
reatores em que é colocado o "líquido acrílico" previamente preparado, e por meio
de agitação e calor se polimeriza. Separado por uma centrífuga do meio auxiliar, o
"pó" é secado em estufas e peneirado em granulações apropriadas para as diversas
aplicações a que se destina.
O líquido é o monômero de metacrilato de metila. Quando se mistura o pó e o
líquido, é produzida uma massa plástica, que pode ser moldada à forma desejável. É
um produto composto de acetona, ácido cianídrico e álcool metílico. Existe desde
antes da guerra de 39, mas sua produção só se iniciou no Brasil após 1973, em
Aratú (Bahia), no complexo petroquímico da Metacríl.
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O líquido acrílico exposto ao calor e à luz tende a endurecer (polimerizar).
Para evitar isto e poder estocá-lo, adiciona-se um inibidor, que pode ser
Hidroquinona, Metil Éter de Hidroquinona ou Topanol. Para evitar o efeito da luz e do
calor eles devem ser embalados em frascos âmbar e guardados em lugares frescos.
Ele é muito inflamável. Se eliminarmos o inibidor, e adicionarmos um catalisador, ele
"endurece" mais depressa e assim obteremos blocos ou placas com grande
translucidez.
Este tipo de material é muito utilizado por profissionais da área odontológica e
também por laboratórios protéticos. Com base na informação de alguns profissionais
desta área, chegou-se a uma primeira abordagem, e definiu-se, que, existem dois
tipos de resinas que podem ser utilizadas para esta aplicação. São elas, as resinas
Termopolimerizáveis e Autopolimerizáveis. Para este trabalho será adotada a resina
Termopolimerizável, porém, não descartando a possibilidade de serem realizados
testes posteriores com a resina autopolimerizável, e uma outra seqüência de
processo.
O acrílico além de ser um material sintético, ele se aproxima muito de certas
qualidades necessárias para uma prótese, por exemplo:
• Biocompatibilidade – sua presença não deve causar prejuízos a curto e longo
prazo no local do implante ou no sistema biológico.
• Inerte
• Não condutor térmico nem magnético.
• Radiopaco – fácil localização no corpo por meios radiográficos.
• Leve, rígido, simples de preparar, facilmente aplicável e barato.
2.4.1. Polimerização de resinas acrílicas
Dentro dos métodos de polimerização de resinas termopolimerizáveis existem
dois métodos bem conhecidos: o “método convencional” ou “imersão em água” e o
“método de aquecimento dielétrico” ou conhecido também como “método do
microondas”.
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Primeiramente, deve-se entender o que é a polimerização. Este processo
consiste, resumidamente, através da ligação que ocorre entre diversos monômeros
(matéria prima para formação do polímero). Os polímeros são formados através da
quebra sucessiva de ligações duplas dos monômeros, os quais vão se ligando a
outros monômeros como indicado na figura 2. Este processo de polimerização é
fixado da seguinte forma: vamos tomar como exemplo uma composição férrea. Ela
só é formada se cada vagão tiver na frente e atrás um engate. Analogamente é
formada uma macromolécula pelo processo de polimerização. Cada monômero
individual liga-se a outro por meio dos elétrons decompostos da ligação dupla.
Figura 2 - Processo de polimerização
Para o sistema utilizado neste trabalho (resinas termopolimerizáveis), é
necessário calor para desencadeamento da polimerização. Portanto, o calor é
denominado ativador.
2.4.2. Proporção monômero x polímero
Com base em estudos de profissionais da área odontológica (Dentistas e
protéticos), uma proporção apropriada polímero/monômero é de fundamental
importância para obtenção de uma prótese com propriedades adequadas. A
polimerização do metilmetacrilato para formar o polimetilmetacrilato, resulta em uma
contração volumétrica de 21% do material, o que poderia criar uma dificuldade
significante na confecção de próteses em resina. No intuito de minimizar a alteração
dimensional, os fabricantes de resina pré-polimerizam uma fração de material, o que
resulta em uma contração prévia do material. Em resinas pré-polimerizadas, essa
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contração é reduzida significativamente para 0,53%, para uma resina termoativada.
O material pré-polimerizado pode ser misturado a um monômero compatível, e a
massa resultante é então polimerizada. A proporção aceitável de
polímero/monômero é de 3:1 em volume, resultando na limitação da contração
volumétrica (ANUSAVICE, 1998). A proporção entre monômero e polímero deve ser
criteriosa, pois o excesso de líquido provocará maior contração e bolhas.
2.4.3. Polimerização pelo método de imersão em água (convencional)
A polimerização de resinas pelo método convencional, requer em geral, duas
horas e meia. Alguns estudos foram realizados (Harman e Pittsburgh, 1949) na
tentativa de avaliar algumas propriedades como fidelidade na reprodução
dimensional, estabilidade e resistência. Concluíram que o grau de polimerização, o
tamanho da peça e a manipulação do material são fatores determinantes nas
propriedades. Já o grau de polimerização depende do tempo e da temperatura.
Estes resultados são válidos para todas as marcas comerciais, porém, qualquer
variação na composição do material pode alterar o mecanismo da formação do
polímero e este apresentar comportamento diferente.
Este método por imersão em água consiste na seguinte seqüência:
• Dentro de um pote misturador realizar a mistura na proporção correta de
líquido e pó.
• Espatular por alguns segundos até a mistura se tornar homogênea e
deixar descansar.
• No molde, tanto na cavidade “fêmea” quanto no “macho”, passar
manualmente uma leve camada de vaselina para facilitar o desmolde da
prótese.
• Quando a massa estiver na fase plástica (quando ao manipular puxando
em dois pedaços, rompe-se sem aparecer fibras), colocar a mistura dentro
da cavidade “fêmea” do molde.
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• Fechar a parte “macho” do molde sobre a “fêmea” e levar até uma prensa.
Fazer pressão vagarosamente até que um excesso de massa comece a
transbordar pela lateral e parte inferior do molde.
• Abrir o molde, e retirar as rebarbas formadas.
• Tornar a fechar e fixar o molde com os quatro parafusos.
• Na prensa, deixar pressionado por cerca de 10 minutos.
• Levar o molde para uma panela com água fria e deixar em fogo brando
por meia hora.
• Desligue por 1/2 hora e ligue novamente para, devagar, chegar à fervura.
• Mantenha a fervura por, no mínimo, 1 hora.
• Deixe esfriar lentamente, pois o resfriamento rápido provoca tensões que
podem acarretar distorções e fraturas.
• Uma vez demuflada a prótese, segue-se o acabamento e polimento
mecânico.
A polimerização tanto neste caso quanto no próximo, é exotérmica, e a
quantidade de calor envolvida pode afetar as propriedades da resina. Em
determinado momento do processo, a velocidade de polimerização aumenta e com
isso aumenta também o calor exotérmico da reação. Devido a resina ser um pobre
condutor de calor, o calor da reação não pode ser dissipado, portanto a temperatura
se eleva bem acima da temperatura da água circundante. A temperatura da resina
também excede a temperatura de ebulição do monômero (100,8 ºC), e isto exerce
um efeito significante nas características físicas da resina polimerizada
(ANUSAVICE, 1998).
2.4.4. Polimerização pelo processo de microondas (aquecimento dielétrico)
O outro método que pode ser empregado é o do forno microondas. É o método mais
rápido de todos os processos e utiliza um forno domésticos de freqüência de 2450
mHz e comprimento de onda de 12 cm.
A energia das microondas empregada na polimerização da resina acrílica tem sido
encorajada em função do equipamento causar menos incomodo, melhor limpeza do
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processo, e propriedades aceitáveis. Buscando economizar o tempo necessário para
o método convencional, Nishii (1968), e prevenir porosidades internas bem como
aumentar o grau de polimerização, foi descrito um novo método introduzindo a
energia de microondas para o processamento de resinas acrílicas. Este método
consiste na geração de microondas através de um componente chamado
Magnatron. As ondas promovem um aquecimento dielétrico no qual a energia é
imediatamente absorvida pela resina de maneira uniforme, eliminando-se o tempo
necessário para transferência de calor da água quente para o molde e deste para a
resina como no método convencional. As moléculas do polimetilmetacrilato são
capazes de se orientar dentro desse campo eletromagnético formado pelas ondas e
mudam de direção cerca de cinco bilhões de vezes por segundo, causando
inúmeras colisões intermoleculares e um rápido aquecimento. Como as ondas
eletromagnéticas não passam através do metal, os moldes que devem ser utilizados
no método do microondas devem ser específicos, e não metálicos como no método
convencional. O molde é especial, feito de um plástico chamado polissulfeto de
fenileno (PPS) ou comercialmente conhecido como Fortron. Fortron PPS é um
polissulfeto de fenileno de estrutura semicristalina, linear. Um anel de fenileno e um
átomo de enxofre formam a cadeia principal desta macro molécula, conferindo ao
Fortron PPS uma série de características excepcionais. O PPS sem reforço possui
uma resistência térmica mediana. A adição de fibras de vidro e misturas de fibras de
vidros com minerais permitem atingir as altas temperaturas de distorção ao calor e
resistência mecânica. As propriedades seguintes evidenciam as características:
• Temperaturas de uso contínuo até 240°C, temporariam ente até 270°C.
• Inerentemente retardante de chama (UL 94: V-0, em parte 5 VA).
• Excelente resistência química e muito boa resistência à oxidação.
• Alta dureza e rigidez mecânica.
• Muito baixa absorção de água.
• Boa resistência à fluência, inclusive em altas temperaturas.
Para este material existem umas séries de aplicações. PPS é um material bem
qualificado para a fabricação de peças moldadas capazes de suportar altas tensões
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mecânicas e térmicas. As principais áreas de aplicação estão na indústria
automotiva (por exemplo, sistemas de sucção de ar, bombas de água e combustível,
válvulas, vedações, componentes para o sistema de monitoramento do
escapamento) como também no setor de engenharia elétrico eletrônico (por
exemplo, tomadas e alças de conectores, bobinas, componentes de relês,
interruptores, encapsulamento de condensadores, transistores e soquetes de
lâmpadas). Na construção de máquinas e na engenharia de precisão o Fortron PPS
também é desdobrado para vários componentes
Com o tempo de cura já conhecido como mais curto, a colocação de vários moldes
dentro do microondas pode resultar na redução do tempo de laboratório (Daniela
Maffei Botega, et al..). Segundo Daniela, o procedimento é viável, desde que os
tempos de polimerização sejam ajustados. Esta é a grande vantagem da utilização
deste processo.
Importante ressaltar o quanto este método pode interferir nas propriedades da resina
acrílica. Uma das mais importantes propriedades que pode ser citada é a
porosidade. A quantidade de emissões do forno pode ser controlada pelo aumento
da potência do forno ou aumento do tempo de polimerização. Levin et al.. (1989)
mostrou que uma polimerização com menos porosidade ocorre quando se utiliza
baixa potência com aumento do tempo de polimerização.
Segundo Kimura e Tearoka, 1988, existem alguns pontos que devem ser levados em
consideração para que o processo realizado em forno microondas venha a ter
qualidades finais satisfatórias:
• Respeitar a relação tempo/potência empregada para o ciclo de cura.
• Interior do aparelho deve ser mantido limpo e livre de umidade.
• Necessário cuidar da pressão utilizada nas muflas, bem como se preciso for,
protegê-las.
• Não prolongar muito o tempo de polimerização.
• Não empregar meios isolantes nas partes das próteses que venham a
prejudicar as propriedades do material.
• Não abrir a mufla antes que esteja totalmente resfriada a temperatura
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ambiente e não forçá-la neste momento com artefatos que venham a fraturá-
la, visto que é feita de um material não metálico.
2.4.5. Problemas na polimerização
Em ambos os processos de polimerização podem ocorrer alguns problemas.
Entre eles, a presença de porosidades, que podem vir a prejudicar as propriedades
do polímero. Como já visto, o processo de polimerização é exotérmico. Se o
aumento na temperatura que acompanha o processo de polimerização exceder o
ponto de ebulição do monômero não reagido ou de um polímero de baixo peso
molecular, estes componentes poderão ferver. Isto permite porosidade interna na
resina. Experiências indicam que tais porosidades geralmente não são observadas
na superfície da resina (ANUSAVICE, 1998). O calor na superfície da resina pode
ser dissipado através da parte do molde que estiver em contato. Por ser a resina um
pobre condutor de calor, o calor gerado em segmentos espessos de resina não pode
ser dissipado. Como resultado, um pico de temperatura pode crescer bem acima do
ponto de ebulição do monômero. Que por sua vez causa a ebulição do monômero
não reagido e produz porosidade interna na resina polimerizada. Outro problema é a
incorporação de moléculas de água seja do ambiente ou do recipiente onde estará
sendo preparada à massa, produz dois importantes efeitos: a ligeira expansão da
massa polimerizada e a interferência no entrelaçamento da cadeia polimérica,
alterando a características do polímero resultante. Testes laboratoriais indicam que
esta expansão linear é aproximadamente igual a contração térmica encontrada como
resultado do processo de polimerização (TAKAMATA et al., 1989). Sempre que
alterações dimensionais são inibidas, o material afetado apresenta tensões internas.
Se as tensões são relaxadas, pode ocorrer uma distorção resultante, caracterizada
como empenamento.
2.5. PROCESSOS PARA FABRICAÇÃO DE PRÓTESES
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Atualmente, existem vários processos tradicionais da engenharia mecânica
que são utilizados na fabricação de próteses para cranioplastia. Entre os que mais
se destacam, podemos citar:
2.5.1. Prototipagem rápida
A Prototipagem Rápida (RP - Rapid Prototyping) permite a construção de um
modelo em poucos dias ou horas, a partir da materialização de desenhos ou
modelos virtuais projetados no computador, através dos programas CAD, CAM, CAE
e outros, com fidelidade absoluta ou com discrepância desprezível.
Este processo pode ser comparado a uma “impressão”, porém tridimensional, onde
a partir do modelo 3D, a máquina de prototipagem “imprime” várias camadas
sucessivas de material, desta forma, materializando o modelo matemático. Um
exemplo de prototipagem pode ser visto na figura 3 e figura 4.
Figura 3 - Prototipagem de um biomodelo oriundo de um modelo virtual
Figura 4 - Exemplos de produtos obtidos por Prototipagem
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2.6. CONFORMAÇÃO
Para execução deste processo utiliza-se um molde (macho/fêmea) no qual é
prensada a matéria prima a qual adquire o formato da prótese. O processo de
conformação aparece como alternativa ideal na fabricação de implantes, quando se
trata de produção seriada, pelo custo, pela precisão, complexidade e repetibilidade
que alcançam, o que contradiz a criação de próteses para grandes defeitos
craniofaciais. Um material utilizado para este processo é o Titânio. Algumas
observações pertinentes do uso do titânio em processos de conformação são
apresentadas pela ASM (2004), no que se refere a perda de precisão como
conseqüência do efeito-mola (spring-back). Devido a isso, conformações de titânio
são geralmente feitas à quente ou por pré-conformação a frio seguida de a quente.
Mais recentemente, o processo de conformação vem sendo empregado no
processamento de biomateriais poliméricos e cerâmicos na produção de
arcabouços, conforme apresentado por Schiller et al. (2004). Esses pesquisadores
produzem arcabouços com camadas de materiais e porosidades diferentes. No
primeiro passo do processo uma camada de material polimérico foi conformada por
compressão a quente num molde usinado em aço inoxidável. No segundo passo, a
parte macho do molde foi substituída por uma de PTFE (politetrafluoretileno,Teflon®).
Foi aplicada uma outra camada agora com material a base de carbonato de cálcio. O
conjunto todo foi submetido a um alto-clave com pressão de 100 bar e exposto a
CO2. O resultado apresentou um arcabouço com excelentes propriedades
mecânicas e com porosidades de 50% na ultima camada, propiciando perfeita
regeneração óssea in-vitro. Já em Eufinger et al. (2006) são apresentados os
resultados dessa experiência com implantes em seres vivos, confirmando o sucesso
da técnica apresentada.
23
2.7. USINAGEM DIRETA
Ocorre através da utilização de uma máquina-ferramenta, a qual através de
programação, realiza a fabricação em contato direto com a matéria prima.
Para o caso concreto do fresamento como processo de usinagem, Bazan (2004)
apresenta as seguintes vantagens: processo com grande disseminação, pela
disponibilidade de equipamentos e de pessoal, o que pode favorecer o aspecto dos
custos e tempos de processos, alta reprodutividade e repetibilidade, complexidades
geométricas podem ser obtidas com máquinas com mais eixos comandados, pode
apresentar os melhores resultados quanto à qualidade de superfície e a manutenção
de tolerâncias estreitas. Entretanto, alguns fatores podem ser considerados como
limitantes, como por exemplo: Usinagem de superfícies sombreadas, necessidade
de ao menos uma superfície pra fixação, com a utilização de mais de uma fixação
surge à necessidade de manter os referenciais anteriores, o material deve
apresentar rigidez suficiente para ser fixado e resistir os esforços da remoção de
cavaco e não se presta à confecção de matrizes ósseas, no que se refere à estrutura
interna com porosidade e interconectividade necessárias.
2.8. USINAGEM INDIRETA OU FUNDIÇÃO EM MOLDE USINADO
Este é o método que será utilizado para este trabalho. Consiste em usinar um
molde (usinagem direta) e a partir dele fundir a matéria prima, para que assim
adquira o formato desejado. Para este método é muito importante à correta definição
do material do molde e também o correto procedimento para fundição da matéria
prima. Como vantagem para este processo, temos que a prótese encontra-se
praticamente pronta (necessário pouco acabamento) após a fundição e também com
menor nível de tensões internas do material, proporcionando assim, maior
estabilidade e maior resistência mecânica. Com a utilização cada vez maior de
biomateriais poliméricos, o processo de fundição aparece como uma alternativa
extremamente vantajosa pela capacidade de processar uma gama muito grande de
materiais e bons resultados estéticos alcançados. É um processo utilizado tanto para
fabricação de implantes intra- como pré-operativo.
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3. METODOLOGIA
3.1. FABRICAÇÃO DO MOLDE DA PRÓTESE
Esta parte do trabalho iniciou-se a partir de um modelo 3D, do mesmo crânio
utilizado na dissertação de mestrado de Ovandir Bazan. A primeira etapa para
obtenção deste modelo foi a obtenção de imagens tomográficas 2D e a partir delas,
através de transformações realizadas em softwares de modelagem, obteve-se o
modelo tridimensional, Figura 5. Este modelo tridimensional (formato. STL) foi
exportado para o software Rhinoceros versão 3.0. Ai, então, iniciou-se o
desenvolvimento do molde.
Figura 5 - Uma das imagens tomográficas utilizada na reconstrução 3D da região do crânio.
A idéia para este processo de fabricação, onde se necessita realizar a
polimerização do metilmetacrilato, veio das atividades realizadas em laboratórios
protético. No processo realizado na fabricação de dentaduras, modelos, plaquetas,
próteses bucais, entre outros, utiliza-se um equipamento chamado de mufla. Este
equipamento tem o formato de uma concha e tem por finalidade realizar o
enclausuramento de modelos diversos com o ambiente externo e manter a pressão
durante a polimerização do metilmetacrilato. Este equipamento e fabricado de latão
e utiliza-se de parafusos para realizar seu fechamento. A figura 6 ilustra a mufla e a
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na figura 7 é possível vê-la fechada e enclausurando um modelo para fabricação de
dentadura.
Figura 6 - Mufla convencional utilizada por protéticos
Figura 7 - Mufla realizando sua função de enclausuramento
Com base neste conceito foi projetado o molde para realização da prótese.
Tendo como ponto de partida o modelo digital produzido por Bazan (2004), o
primeiro passo para a construção do molde foi separar esse modelo em duas
superfícies: externa, denominada aqui de fêmea e interna, chamada aqui de macho ,
tal como ilustrado na Figura 8.
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Figura 8 - Modelo digital STL e as superfícies interna e externa separadas para a construção do molde.
O material escolhido para a usinagem do molde foi o gesso odontológico.
Esse material apresenta as seguintes vantagens: (i) baixo custo, (ii) fácil
usinabilidade (iii) resistência (iv) bom acabamento superficial, (v) disponibilidade.
Após a preparação do gesso, de acordo com as recomendações do fabricante, o
mesmo foi acomodado em um porta-molde previamente confeccionado em resina
epóxi. Quando o processo de polimerização é terminado, este gesso é quebrado e
então temos a prótese completamente solta e desmoldada. O mesmo porta molde
poderá ser utilizado para outras próteses, bastando preenchê-la novamente com
gesso e gerar o programa em função do novo modelo. Desta forma consegue-se um
processo com baixo custo de matéria prima. O projeto do molde pode ser visualizado
na Figura 9 e Figura 10.
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Figura 9 - Tela do Software Rhinoceros durante projeto do molde
Figura 10 - Simulação do molde no momento do fechamento
Conforme a orientação de fabricantes de resinas termopolimerizáveis, é
necessário que a mufla seja fechada com uma pressão de 8 Kg/cm2 durante a fase
plástica. Importante que esta pressão seja realizada de forma homogênea na tampa
do molde. A indicação da força resultante sobre o molde no momento da
polimerização do acrílico deve ser de 1000 Kg. A Figura 11 indica a prensa utilizada
em laboratórios protéticos.
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Figura 11 - Prensa utilizada em laboratório protético
3.1.1. Geração do comando numérico para usinagem do molde
Devido à superfície do crânio ser extremamente complexa, com várias imperfeições
e detalhes, torna-se quase que impossível a execução de um programa de
usinagem apenas por programação manual. Por isso, o programa foi realizado com
auxílio do software Edge CAM. Este é um software específico da área metal
mecânica, e funciona da seguinte forma: Através de um desenho 3D da peça a ser
fabricada, gera-se por meio de rotinas de usinagem parametrizadas, o programa de
execução. Esta primeira parte é universal, conforme a linguagem ISO de
programação. Uma grande vantagem da geração do programa de usinagem por
este software é a possibilidade de simulação da usinagem, podendo-se prever
colisões, tempos de fabricação, assim como desenvolver estratégias adequadas a
cada tipo de peça. A Figura 12 e Figura 13, indicam a transição do modelo
tridimensional para o CAM e a respectiva simulação de usinagem.
Figura 12 - Exportando arquivo do Rhinoceros para o formato IGES próprio para o Edge CAM.
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Figura 13 - Simulação de usinagem no Edge CAM
Porém, os diversos fabricantes de máquinas fabricam seus comandos com
certas peculiaridades, necessitando, para o processo de geração da linguagem de
máquina, o que chamamos de Pós Processador, Figura 14. O pós-processador é o
software responsável para traduzir instruções neutras do sistema CAM para as
instruções específicas requeridas pela máquina CN. Este software precisa responder
às exigências e limitações do sistema CAM, máquina CN e ambiente industrial. A
maioria dos sistemas CAM gera um ou mais tipos de arquivos de linguagem neutra
que contêm instruções para uma máquina CN.
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Figura 14 - Tela do Edge CAM, mostrando a tela principal para manipulação do pós-processador.
3.1.2. Usinagem do molde
O fresamento foi realizado em um centro de usinagem vertical com três eixos
comandados, modelo Discovery 4022 produzido pela empresa ROMI S.A. Foram
utilizadas duas ferramentas de corte, uma fresa de ø20mm e topo reto na operação
de desbaste e uma fresa de ø8mm, esférica, ambas de duas arestas. Após a
usinagem do molde, foi aplicado um desmoldante spray siliconado da marca
UltraLub®. A Figura 15a mostra a cavidade fêmea antes da usinagem preparada com
o gesso, e a Figura 15b mostra o processo de usinagem. Importante salientar que o
programa gerado pelo software pode ser otimizado, podendo-se reduzir o ciclo de
usinagem consideravelmente.
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(a) (b)
Figura 15 – (a) porta-molde preso em uma morsa sobre a mesa do centro de usinagem, (b) usinagem da cavidade do molde.
3.1.2. Termo-polimerização do PMMA
Para a fabricação do implante foi utilizado o PMMA termopolimerizável da marca
Vipicril®. Os componentes do PMMA foram pré-misturados em uma proporção 3/2
(pó/líquido) em um recipiente de vidro, e após homogeneização, a mistura foi
deixada “descansar” à temperatura ambiente durante 10 minutos. Posteriormente
essa mistura foi depositada na cavidade fêmea do molde. O macho foi inserido e
mantido pressionado por meio de uma prensa hidráulica durante 10 minutos, e após,
mantido em descanso à temperatura ambiente por duas horas.
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Figura 16 – descanso da mistura
Figura 17 – prensagem do molde
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A polimerização completa foi realizada com a imersão do molde em água
aquecida a 70ºC e mantido durante 30 min. Posteriormente a temperatura foi
elevada a 100ºC e mantida por mais uma hora e meia. Passado esse período, o
conjunto foi resfriado lentamente até atingir 40ºC. A desmoldagem do implante foi
feita sem problemas. Foram retiradas rebarbas, deixando-o pronto para avaliação.
Entretanto, o produto obtido após a desmoldagem apresentou-se com porosidade
excessiva e elevada opacidade, tal como mostrado na Figura 18. Estas falhas
devem ser decorrentes de uma relação líquido/pó inadequada e/ou de uma pressão
de moldagem insuficiente, e/ou tempo de descanso e tempo de mistura do líquido/pó
não ideal, as quais geralmente são recomendadas para a produção de peças de
pequenas dimensões.
Figura 18 - Alguns problemas identificados na prótese acabada: 1,3 e 4 falhas de preenchimento, 2
bolha provocada por infiltração de água no molde, 5 porosidade excessiva.
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4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1. VANTAGENS E DESVANTAGENS DA METODOLOGIA APRESENTADA
Este processo torna-se interessante no que diz respeito à qualidade e preço.
Uma vez possuindo porta molde, para as demais próteses é apenas necessária
aquisição do gesso e assim realizar a usinagem. No momento da polimerização a
prótese adquire toda a forma do molde, desta forma, permitindo uma fabricação fiel
do modelo 3D. Importante ressaltar a importância do processo utilizado na usinagem
do molde, uma vez que a prótese acaba tornando-se cópia fiel, inclusive de
imperfeições, caso venham a existir. Através deste processo acredita-se termos
poucas tensões internas no material, uma vez que o processo de resfriamento
ocorre vagarosamente e naturalmente sem intervenção de meios auxiliares.
Também não há compressão do material, já que o excesso de material é
transbordado para fora do molde. Este transbordo também garante um completo
preenchimento de toda cavidade do molde.
Uma desvantagem para este processo poderia ser com relação ao tempo de
fabricação. Iniciando-se pela obtenção das imagens, desenvolvimento do projeto do
molde, desenvolvimento do programa de usinagem, usinagem propriamente dita e
conseqüente polimerização, necessitam de algumas horas de trabalho. Este tempo,
para situações de emergência médica, não seria compatível. Portanto, é um
processo muito interessante para casos em que é possível realizar o planejamento
da cirurgia.
4.2. PROBLEMAS ENCONTRADOS
Dentro de todo processo, houve dificuldade na transformação do modelo original do
crânio (STL) para o formato do software de modelagem Rhinoceros (3Dm). Para
resolução deste problema foi salva uma cópia no formato IGES e neste formato pôde
ser trabalho e editado dentro do Rhinoceros. No início também existiu certa
dificuldade em se conseguir informações a respeito de processos de polimerização
do metilmetacrilato. Isto pode ser resolvido iniciando-se pesquisas de artigos da área
odontológica, a qual realiza muitos estudos e trabalhos com este material.
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Outro problema está relacionado com o aspecto, inicialmente, visual da prótese
obtida. Ocorreu grande dificuldade de desmoldagem da prótese da cavidade de
gesso, uma vez que devido a infiltração de água durante a polimerização, não houve
uma polimerização homogênea do acrílico, causando desta forma deformação da
prótese e conseqüente dificuldade de desmoldagem.
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5. CONCLUSÃO
Ao longo do desenvolvimento do trabalho, muitos questionamentos foram feitos
com relação à qualidade da prótese e viabilidade de se planejar próteses baseadas
neste processo.
O método para produção da prótese parece ser um método seguro, porém sem
experiências comprovadas para variações de dimensões e volumes, como é o caso
de uma prótese de crânio. Além disto, existem muito estudos relacionados ao
metilmetacrilato, e este processo de polimerização dentro da área odontológica. Isto
reforça a idéia de que o método deve atender as exigências dimensionais
solicitadas.
Para que este método passe a ser realmente válido, é necessário que muitos
testes sejam realizados visando a comprovação da proporção ideal de monômero x
polímero e tempo de “descanso” da mistura antes de realização da prensagem.
Desta forma poderão ser avaliadas propriedades da prótese como porosidades e
estabilidade dimensional.
O modelo digital obtido foi facilmente usinado em máquina-ferramenta equipada
com tecnologia CN. A utilização de um gesso de boa qualidade propiciou a obtenção
de superfícies com baixíssima porosidade e um nível de detalhamento muito próximo
do modelo original
O método do microondas não deve ser descartado, levando em consideração
seu menor tempo de polimerização e também as qualidades observadas quando
testados em próteses de menor volume, como por exemplo, prótese bucais.
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6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
• Schiller C., Rasche C., Wehmöller, Beckmann F., Eufinger H., Epple M. e Weihe
S., Geometrically structured implants for cranial reconstruction made of
biodegradable polyesters and calcium phosphate/calcium carbonate,
Biomaterials, 25, p. 1239–1247, 2004.
• Pereira, W. A. 2004 – Manual de transplantes de órgãos e tecidos. Editora Medsi,
- 3ª Ed.
• Alloplastic Cranioplasty – Barry L. Eppley, MD, DMD
• A new method of acrylic cranioplasty – Eric W. Sherburn.
• Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for engineering replacement
tissues and organs – K. F. Leong, C. M. Cheah, C.K. Chua.
• Usinagem de próteses para cranioplastia a partir de imagens tomográficas – Bazan,
Ovandir.
• Polímeros Bioreabsorvíveis e Engenharia de Tecidos – Samuel Barbanti, Cecília
Zavaglia, Eliana Duek.
• Prototipagem como forma alternativa para realização de cranioplastia com
metilmetacrilato – Adriano Yacubian Fernandes, Paulo Roberto Laronga, Régis
Ântonio Coelho, Luis Gustavo Ducati, Mateus Violin Silva.
• Avaliação da resistência ao impacto e dureza de resinas acrílicas termicamente
ativadas para base de próteses totais – Maximiliano Piero Neisser, Karina Andréa
Novaes Olivieri.
• Técnicas fotoacústicas aplicadas ao estudo da cinética de polimerização de resinas
odontológicas – Elaine Cristina dos Reis Coloiano.
• Fabricante de resinas acrílicas: www.classico.com.br
• Técnica de polimerização de resinas acrílicas odontológicas em forno de
microondas – Andersen Ieger Celinski.
• Materiais dentários – Kenneth J. Anusavice.
• http://www.ticona.com.br/pt/home/portfolio/fortron.htm
• http://www.artis.com.br/artis/softwares.htm
• http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-40422003000600013
• http://www.mundocnc.com.br/basic1.htm
• Edge CAM - www.autodesk.com
• Rinoceros 3D - www.rhino3d.com