A tecnologia de fabrico de protótipos rápidos (RPMT), também conhecida como prototipagem rápida e fabrico just-in-time, teve origem no Japão na década de 1980 e rapidamente se estendeu aos Estados Unidos e à Europa Ocidental, tornando-a um grande avanço na tecnologia de fabrico nos últimos 20 anos. Em 1990, o RPMT começou a ser utilizado no campo da medicina, e por volta de 1992 foi utilizado no campo da odontologia, quando Klein et al. salientaram que as características rápidas e precisas do RPMT seriam úteis no campo da medicina, incluindo a odontologia, depois de o comparar com a tecnologia tradicional de processamento de torno, o que foi comprovado no rápido desenvolvimento do RPMT.
1 Desenvolvimento da RPMT
O RPMT é desenvolvido com tecnologia CAD/CAM, tecnologia CNC, tecnologia de processamento laser, tecnologia de materiais, e engenharia mecânica, tecnologia de inspecção, electrónica e tecnologia de informação estão intimamente relacionados, e podem ser combinados com métodos especiais de processamento tais como electrodeposição, pulverização a arco, pulverização de plasma, moldagem por plasma, vazamento, fundição de precisão, e EDM. Nos anos 80, o Sistema 3D dos EUA era a única empresa a produzir equipamento de prototipagem rápida, e no final de 1996 tinham sido instalados mais de 1.400 conjuntos em todo o mundo, com o rendimento económico directo gerado pela RPMT a atingir 1 bilião de dólares em 1998. O primeiro artigo nacional sobre a RPMT foi publicado em 1993, e o Grupo de Prototipagem Rápida foi criado em 1994, liderado pela Universidade de Tsinghua, e à medida que a investigação sobre a RPMT se aprofundava, a sua aplicação em vários campos começava rapidamente. Actualmente, a maior precisão pode atingir 0,001mm, espessura da camada ±0,005mm, e o tamanho máximo das peças formadas pode atingir 800mm×1600mm×500mm (como o SSM-1600 da Universidade de Tsinghua) com uma velocidade de várias horas a dezenas de horas/peça utilizando equipamento de moldagem especializado.
2 Classificação RPMT e respectivas características
Como esta tecnologia continua a melhorar, os estudiosos têm produzido uma variedade de equipamento RPMT que difere em princípio e estrutura, resultando num aumento da precisão e velocidade, e correspondentemente aumentando a profundidade e amplitude das aplicações do RPMT no campo médico. O RPMT é normalmente classificado de acordo com o princípio do processo de fabrico, e várias das tecnologias mais maduras que têm sido aplicadas no campo dentário são descritas abaixo.
(1) O Aparelho de Estereolitografia (SLA) é também conhecido como cura de fase líquida fotossensível, estereolitografia, modelação estereoscópica e assim por diante. Esta tecnologia é a mais madura, a mais aplicada. O método SLA permite a produção de protótipos finos com boa qualidade de superfície e o fabrico directo de peças plásticas. As peças são, na sua maioria, transparentes. O método SLA também pode ser utilizado para o fabrico em miniatura, e o Kyushu Institute of Technology no Japão produziu modelos de aproximadamente 50μm. A desvantagem é que o método SLA só é aplicável à produção de modelos in vitro, é mais difícil gerar microestruturas com actividade biológica; há alterações de volume na formação, aumentando a dificuldade de controlo; o equipamento SLA é mais caro, o custo da resina fotossensível é mais elevado. Nos últimos anos, alguns equipamentos domésticos como a máquina SLA da Universidade Xi’an Jiaotong LPS e CPS série SLA e o desenvolvimento da resina fotossensível correspondente, levaram a uma redução significativa no custo das peças.
(2) Laminated entity manufacturing (Laminated Object Manufacturing, LOM). Este método é capaz de produzir grandes protótipos, com equipamento e materiais de moldagem de baixo custo, sem tensão interna ou distorção no modelo moldado, alta precisão, alta resistência e rigidez, e tempos de produção curtos. Em comparação com o SLA, é mais adequado para a produção de superfícies complexas de forma livre porque não requer apoio. A desvantagem é que a resistência às intempéries e a força de ligação do material estão intimamente relacionadas com o substrato escolhido e o tipo de adesivo; a separação dos resíduos é demorada. O SSM da Universidade de Tsinghua e a série ZIPPY da Universidade de Tecnologia de Huazhong são os melhores modelos da LOM. Actualmente, o processo LOM está a desenvolver-se no sentido da diversificação de materiais opcionais (tais como chapas metálicas e materiais cerâmicos, etc.).
(3) Sinterização a Laser Seleccionada (SLS). O método geralmente não acrescenta ligante nem processamento subsequente, pelo que pode formar um modelo de alta resistência; não requer apoio; a precisão do modelo é elevada (tamanho de partícula inferior a 0,1mm até ± 0,01mm), tal como a utilização de pó de cera pode ser directamente fabricado molde de cera de fundição de precisão. O método SLS inicial era difícil de remover o pó entre os poros e não era adequado para o fabrico de estruturas de suporte celular, mas o desenvolvimento do SLA permite agora ao utilizador ajustar a microestrutura interna (poros e tamanho dos poros) do produto sinterizado através do controlo dos parâmetros. Na China, existem modelos como HRPS-Ι da Universidade de Tecnologia de Huazhong.
(4) A Modelação da Deposição Fundida (Fused Deposition Modeling, FDM) é também conhecida como método de empilhamento de fusão, extrusão de fusão no molde e assim por diante. O método não utiliza laser, baixo custo, tamanho pequeno, velocidade de produção rápida, sem poluição. A desvantagem é que a precisão é relativamente baixa; também há variação de volume; o método FDM só é adequado para fazer andaimes que não adicionam substâncias activas como factores de crescimento durante o processo devido à necessidade de aquecimento. Na China, existem modelos como o MEM-250 da Universidade de Tsinghua.
(5) colagem tridimensional por pulverização (Three-dimensional Printing and Gluing, TDP) também conhecida como impressão tridimensional, método de revestimento cerâmico. O TDP tem uma vasta gama de aplicações, especialmente para moldes de cerâmica; é de baixo custo e tem uma velocidade de produção muito elevada. É mais adequado para a produção de estruturas não homogéneas e porosas, para o empilhamento e conformação de materiais de gradiente funcional, e tem potencial para se tornar o principal método de processo para a preparação de andaimes bio-engenharia (empilhamento e conformação a jacto fino estruturado). O principal problema é que a precisão e a rugosidade da superfície são ligeiramente pobres e alguns materiais são propensos à deformação e mesmo à fissuração.
3 A aplicação do RPMT na odontologia
Em geral, existem três fases: fase primária: modelos biológicos sólidos para diagnóstico e manipulação; fase intermédia (modelos biológicos compatíveis): implantes para terapêutica e engenharia de reabilitação; fase avançada (modelos biológicos avançados): órgãos artificiais (osso “real” que pode participar em processos metabólicos). Actualmente, o foco principal está nas duas primeiras fases.
3.1 Aplicações no domínio da dentisteria protética
Noutras áreas da medicina dentária, a RPMT também representa um desafio aos processos tradicionais. A técnica RPMT foi utilizada para criar um modelo 3D da coroa do paciente, osso alveolar, etc., a partir do qual foi concebida, fabricada e ajustada uma dentadura. O desenho do canal de fundição foi optimizado utilizando software comercial antes da fundição. Ele acredita que esta técnica tem um grande potencial para substituir os tradicionais passos de “dar uma impressão e encerar”. J. Grau et al. do Instituto de Tecnologia de Massachusetts utilizaram a tecnologia TDP para preparar um molde cerâmico de alumina para fundição em pó para substituir o molde de gesso tradicional, uma vez que este tem maior resistência e pode ser aquecido a várias centenas de graus para reduzir o tempo de secagem e o tempo de secagem. Na China, Gao Bo et al. utilizaram o método LOM para produzir um modelo dentário completo com boa semelhança geométrica, que lançou as bases para posterior aplicação de metal sinterizado a laser ou pó cerâmico para o fabrico directo de restaurações orais.
3.2 Aplicação no campo da implantologia oral
Ao fazer próteses de implantes, técnicas de imagem como a TC são de grande ajuda no planeamento cirúrgico minucioso, e a aplicação de RPMT no campo dentário torna estas imagens digitais ainda mais úteis: Sarment et al, descobriram que quando a cirurgia de implantes era guiada apenas por imagens de TC, havia uma diferença média de 1,5 mm. no ponto de implantação do rebordo alveolar e 2,1 mm. no ápice intra-ósseo do implante entre o plano pré-operatório e o pós-operatório; em Sader et al. utilizaram a entidade de visualização RPMT para prever o perfil maxilofacial após a elevação do seio maxilar e colocação de implantes em 23 pacientes com atrofia óssea alveolar superior grave e para orientar a cirurgia, com o resultado de que todos os pacientes estavam satisfeitos com o resultado.
3.3 Aplicação no campo da endodontia e ortodontia
Kim et al, relataram um paciente tratado em endodontia com hipotiroidismo durante 1 ano que se descobriu ter múltiplas reabsorções radiculares invasivas parapróteses laterais e que rapidamente clarificou o local e a área de ocorrência após um conjunto de dentes ter sido fabricado com RPMT. Lee et al. usaram o RPMT para fazer um modelo do dente doador e depois levaram o dente doador para transplante após a área receptora ter sido medida para adequação, resultando em tempo operatório reduzido e boas membranas periodontais num total de 22 dentes transplantados.
O RPMT também encontrou utilização na Ortodontia. Por exemplo, Wiechmann D et al. utilizaram o RPMT para criar braquetes ortodônticos individualizados para os pacientes, reduzindo o tamanho dos braquetes para conforto do paciente e reduzindo a incidência de perda acidental de braquetes.
3.4 Aplicações no domínio da cirurgia oral e maxilo-facial
Técnicas como SLA, LOM, SLS, FDM e TDP têm sido utilizadas neste campo e têm desempenhado um papel importante na ajuda ao diagnóstico (fracturas, anquilose articular e mesmo dentes obstruídos), planeamento, simulação de cirurgia e tratamento. Por exemplo, Qiu Mingguo et al. utilizaram o método LOM para produzir um modelo físico em papel do osso temporal, que pode ser utilizado para o desenho pré-operatório de neurocirurgia complexa do ouvido e para simular operações cirúrgicas.
Para o problema da substituição de tecido duro por grandes defeitos (por exemplo 14,7cm x 12,0cm,) no tecido ósseo craniofacial causado por defeitos congénitos, traumatismo, descompressão pós craniectomia, infecção, etc. A criação de pseudopróteses individualizadas pela LOM (por exemplo Ono et al., que repararam grandes e complexos defeitos maxilares com cerâmica HA em 9 pacientes) ou FDM (por exemplo Eppley et al., que realizaram reconstrução craniana em 13 pacientes) pode poupar significativamente tempo operatório e exposição do paciente à radiação, reduzir complicações intra-operatórias e pós-operatórias e encurtar o tempo de hospitalização do paciente. Foram feitas estatísticas para mostrar que a aplicação do RPMT aumenta a taxa de diagnóstico correcto em 29,60%, a precisão da operação em 36,23% e o tempo de operação em 17,63%, tornando possível realizar operações ortopédicas complexas numa única operação, o que só poderia ser feito em várias operações.
O RPMT tornou-se também recentemente um componente importante dos andaimes portadores de células na engenharia de tecidos, o que é sem dúvida um aspecto extremamente importante da engenharia de tecidos. “O “osso craniano” defeituoso com certa porosidade foi então utilizado como um andaime juntamente com cola de fibrina e implantado no corpo após 3 dias de co-cultura com osteoblastos. Experiências semelhantes foram realizadas na Universidade Tsinghua na China, na qual o ácido poliláctico (PLA) com um peso molecular próximo de 100.000 foi composto com HA, colagénio e BMP para produzir um cilindro poroso com um diâmetro e altura de 5 mm pela tecnologia TMF.
4 Perspectivas
O RPMT é particularmente adequado para a produção directa de pequenos lotes, produtos complexos (p. ex., ombros furados, convexos, ocos, aninhados, etc.), moldados; o equipamento com diferentes princípios de processo é facilmente modular e intercambiável; são possíveis serviços de fabrico à distância com a ajuda da Internet; está disponível uma vasta gama de materiais (p. ex. resina, plástico, papel, parafina, película, pó metálico ou cerâmico, folha, seda, etc.); o processo de fabrico é livre de vibrações e ruído e essencialmente Não há cortes, é uma tecnologia de fabrico amiga do ambiente, e em teoria a taxa de utilização da matéria-prima pode atingir 100%, etc. É por isso que está actualmente a ser desenvolvido no campo da medicina dentária no estrangeiro e tem um grande futuro e um enorme âmbito de desenvolvimento.