Roberto Javier Rueda-Esteban MD, MEd DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA BIOMÉDICA | UNIVERSIDAD DE LOS ANDES Determinación de las características mecánicas de modelos poliméricos rígidos para educación en Anatomía. TESIS PARA OPTAR AL GRADO DE MAGÍSTER EN INGENIERÍA BIOMÉDICA.
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Roberto Javier Rueda-Esteban MD, MEd DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA BIOMÉDICA | UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
Determinación de las características mecánicas de modelos poliméricos rígidos para educación
en Anatomía.
TESIS PARA OPTAR AL GRADO DE MAGÍSTER EN INGENIERÍA BIOMÉDICA.
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Determinación de las características mecánicas de modelos poliméricos
rígidos para educación en Anatomía.
Autor
Roberto Javier Rueda-Esteban MD, MEd
Director
Juan Carlos Briceño Triana PhD; Profesor Titular, Departamento de Ingeniería
Biomédica, Facultad de Ingeniería, Universidad de los Andes
Asesor
David Bigio Roitman; Profesor de Cátedra, Departamento de Ingeniería
Biomédica, Facultad de Ingeniería, Universidad de los Andes
método, la reacción de polimerización será altamente exotérmica (Cuevas, C., &
Zamarripa, J., 2011).
El polimetil metacrilato (PMMA) es un plastificante que consta de esferas de
polímero. Se caracteriza por un color rosa y los pigmentos que lo componen son
sales de cadmio, hierro o pigmentos orgánicos. Entre ellos se encuentran el sulfuro
de mercurio, sulfuro de cadmio y seleniuro de cadmio (Cuevas, C., & Zamarripa, J.
2011). Su iniciador es el peróxido de benzoilo, el cual produce radicales libres
(Cuevas, C., & Zamarripa, J., 2011; Infante, R. et al., 2016). También está
compuesto por opacificadores y partículas inorgánicas.
Al igual que el PMMA, el metil metacrilato es un plastificante (Cuevas, C., &
Zamarripa, J., 2011). Su inhibidor es la hidroquinona y su activador la N N dimetil-
p-toluidina, una amina terciaria (Infante, R. et al., 2016).
En general, el acrílico tiene contracción del 0.2-0.5% y cierta capacidad para
absorber o ceder agua (Infante, R. et al., 2016). No es soluble en agua y resiste
soluciones alcalinas y ácidas débiles. Es soluble en la mayoría de solventes
orgánicos como hidrocarbonos fuertes, ésteres y cetonas como acetona y benceno
(Infante, R. et al., 2016). El material presenta resistencia a la tracción de 48.3-62.1
MPa, resistencia a la compresión de 75.9 MPa, módulo elástico de 3.8 GPa,
biocompatibilidad y estabilidad de color (Cuevas, C., & Zamarripa, J., 2011). Dadas
las anteriores propiedades mecánicas, se considera que esta resina tiene baja
resistencia a la fractura (Cuevas, C., & Zamarripa, J., 2011).
Varias características de las resinas acrílicas autopolimerizantes han hecho que su
uso en la técnica de RC sea favorable. Entre ellas se encuentran la baja viscosidad,
resistencia a tratamientos alcalinos y ácidos y corto tiempo de fraguado (Krucker,
Lang, & Meyer, 2006). Aunque la inyección de resina acrílica ha sido descrita como
un método eficiente para el estudio de estructuras tridimensionales (Suwa, F.,
Uemura, M., Takemura, A., Toda, I., Fang, Y., Xu, Y., & Zhang, Z., 2013), presenta
ciertas limitaciones las cuales incluyen la fragilidad de los modelos obtenidos y la
insuficiencia de coloreado en los capilares más pequeños (Krucker, Lang, & Meyer,
2006). El manejo de los especímenes antes y después de la hidrólisis se dificulta
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debido a su rigidez y fragilidad (Krucker, Lang, & Meyer, 2006). Adicionalmente, al
utilizar estas resinas se ha reportado extravasación, superficies corrugadas y tiras
plásticas que también son llamadas “tejido momificado” (Krucker, Lang, & Meyer,
2006).
El metil metacrilato atraviesa las células endoteliales, estas extravasaciones
producen superficies corrugadas y las llamadas tiras plásticas (Krucker, Lang, &
Meyer, 2006). Otras desventajas son la falta de ductilidad y elasticidad que permite
rupturas del material durante el proceso de repleción corrosión o posterior a este
(Krucker, Lang, & Meyer, 2006).
Para mejorar la técnica con esta resina se ha propuesto remover el inhibidor
(hidroquinona), mantener la viscosidad constante de la resina polimerizada y una
presión y velocidad de inyección constante (Suwa, F., Uemura, M., Takemura, A.,
Toda, I., Fang, Y., Xu, Y., & Zhang, Z., 2013).
Actualmente, existen resinas modificadas con óxido de grafeno el cual brinda
características mecánicas mejoradas con respecto a las resinas acrílicas sin
ninguna alteración. Los resultados de estos estudios demostraron que los
compuestos con óxido de grafeno y óxido de grafeno funcional, fueron efectivos en
la mejora de la estabilidad térmica de la misma (Dong & Liu, 2016). Lo anterior
debido a la dispersión del compuesto sobre la matriz de la resina y a las
interacciones interfaciales del compuesto con la misma (Dong & Liu, 2016). Por
último, esta modificación también le brindó a la resina mejor capacidad de respuesta
al ambiente (Dong & Liu, 2016).
Tabla 2. Cambios mecánicos en resinas acrílicas según carga.
Material Características
Óxido de Zirconio Útil para aumentar la fuerza transversal del material y disminuir su fragilidad. Asimismo, es capaz de aumentar el esfuerzo a la rotura de la resina. (Asopa et al., 2015).
Clorhexidina Produce un efecto adverso en el esfuerzo a la rotura del material. (Al-Haddad, Vahid Roudsari, & Satterthwaite, 2014).
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Fluconazol No registra mejora de las propiedades mecánicas de las resinas. (Al-Haddad, Vahid Roudsari, & Satterthwaite, 2014).
Resinas Epóxicas
Se definen como pre-polímeros de bajo peso molecular que contienen más de un
grupo epóxido (Jin, F., Li, X., & Park, S., 2015). Han sido ampliamente usadas para
Park, S., 2015). Generalmente se hacen reaccionar con otros componentes como
endurecedores o agentes de curado (Jeyranpour, F., Alahyarizadeh, G., &
Minuchehr, A., 2016). Los endurecedores típicamente tienen hidrógenos activos
incluyendo aminas y anhídridos (Jeyranpour, F., Alahyarizadeh, G., & Minuchehr,
A., 2016). Al realizar la mezcla se producen enlaces covalentes irreversibles por lo
que este tipo de polímeros no se pueden volver a derretir o deformar (Jeyranpour,
F., Alahyarizadeh, G., & Minuchehr, A., 2016).
El proceso de curado de este tipo de resinas se puede llevar a cabo con varios tipos
de agentes endurecedores: amino, alcalinos, anhídridos y catalíticos (Jin, F., Li, X.,
& Park, S., 2015). Los agentes endurecedores de tipo amino reaccionan con los
anillos epóxidos por adición nucleofílica (Jin, F., Li, X., & Park, S., 2015). Los
alcalinos son típicamente usados en conjunto con aminas, poliamidas, amido
aminas, mercaptanos, polisulfuros y anhídridos para acelerar la reacción de
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endurecimiento (Jin, F., Li, X., & Park, S., 2015). Asimismo, los agentes de curado
anhídridos tienen propiedades eléctricas excelentes, buena resistencia química y
buenas propiedades físicas (Jin, F., Li, X., & Park, S., 2015). Por último, los agentes
de curado catalíticos son inertes a temperatura ambiente; es decir, necesitan de un
agente externo para reaccionar y al hacerlo le brindan estabilidad a la resina (Jin,
F., Li, X., & Park, S., 2015).
Investigaciones previas han confirmado que las resinas curadas con ácido sebácico
presentan menores temperaturas de transición vítrea (temperatura que indica el
punto intermedio entre el estado fundido y el estado rígido de un material) (Kocaman
& Ahmetli, 2016) y de igual manera, se comprobó que los anhídridos resultan
mejores como agentes de curado frente a la corrosión ácida y las aminas son
mejores frente a la corrosión básica (Kocaman & Ahmetli, 2016).
Según la literatura, las resinas epóxicas curadas con aminas aromáticas presentan
más estabilidad en el ambiente resaltando sus resistencias térmica y mecánica
(Kocaman & Ahmetli, 2016).
Un tipo de resina muy usado en la industria es la bisfenol-A (DGEBA) la cual es
producida por la reacción de epiclorhidrina con bisfenol-A en la presencia de un
catalizador (Jin, F., Li, X., & Park, S., 2015). Esta resina posee un grado de curado
de más del 90% en 40 segundos, un valor de resistencia a la fractura de 3,53
MPa·m1/2 y un módulo elástico de 2,9 GPa (Jin, F., Li, X., & Park, S., 2015).
Además, las resinas epóxicas que endurecen a temperatura ambiente usan agentes
de curado que reaccionan a esta temperatura tales como poliaminas alifáticas,
poliaminas acíclicas, poliamidas de bajo peso molecular y aminas aromáticas
modificadas (Jin, F., Li, X., & Park, S., 2015). A su vez, las resinas epóxicas curadas
a altas temperatura utilizan anhídridos ácidos, resina resol, resinas amino,
diciandiamida o hidrazidas (Jin, F., Li, X., & Park, S., 2015).
Actualmente, se encuentran resinas epóxicas modificadas con el objetivo de
mejorar sus capacidades térmicas y mecánicas dependiendo del uso de las mismas.
Una modificación muy común se basa en el uso de compuestos orgánicos como
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aceite de soya, el cual ha demostrado ser beneficioso en sus propiedades
mecánicas brindándole menor esfuerzo tensil y una mayor elongación a la rotura
(Kocaman & Ahmetli, 2016). Asimismo, las resinas epóxicas modificadas con lignina
(compuesto orgánico proveniente de la pared celular de muchas células vegetales)
mostraron ser superiores a las resinas epóxicas sin modificaciones (Ferdosian,
Yuan, Anderson, & Xu, 2016).
Tabla 3. Cambios mecánicos en resinas epóxicas según carga.
Material Características
Aceite de Soya Permite obtener menor esfuerzo tensil y mayor elongación a la rotura de las resinas (Kocaman & Ahmetli, 2016).
Lignina Mejora la resina epóxica no modificada en términos de la descomposición de la pieza en etapa temprana y tardía (Ferdosian, Yuan, Anderson, & Xu, 2016).
Resinas Poliéster
Se presentan en forma de plásticos termoestables, los cuales necesitan de un
agente externo (catalizador) para cambiar su estructura (Gil, 2016). Existen
diferentes tipos de resinas de poliéster; entre los cuales están las ortoftálicas,
isoftálicas y las isoftálicas con neopentilglicol (Gil, 2016).
Estas resinas usan comúnmente como acelerante el octoato de cobalto y como
catalizador peróxido de metil-etil-cetona (MEK) (Oliveira, Mindêllo, Martins, & Silva
Filho, 2013). La mayoría de estas no curan a temperaturas inferiores a 16°C (Gil,
2016). Entre mayor sea la cantidad de catalizador y acelerador menor será el tiempo
del desmolde; sin embargo, se deben tener en cuenta las dimensiones de la muestra
pues existe la posibilidad de encontrar fracturas en la misma (Oliveira, Mindêllo,
Martins, & Silva Filho, 2013).
Las características mecánicas y termoquímicas que presentan este tipo de resinas
pueden variar dependiendo de los agregados que tenga la mezcla (Lavoratti,
Scienza, & Zattera, 2016; Vargas, Montiel, & Vázquez, 2016). Hoy en día se ha
demostrado la efectividad de las resinas de poliéster con agregados como
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nanofibras de celulosa o montmorillonitas de amonio y de aminosilano (Lavoratti, A.,
También se encuentran resinas poliéster modificadas con aceite de soya o aceite
de coco, los cuales permiten mejorar las propiedades mecánicas de las mismas,
siendo térmicamente más estables (Costa et al., 2016).
En general, una resina de poliéster sin agregados con una velocidad de
calentamiento entre 5-20 Cº/min tiene una capacidad exotérmica promedio de 265
J/g (Vargas, Montiel, & Vázquez, 2016).
De igual modo, se ha demostrado que el estireno interviene en la resistencia a la
tracción de la pieza (Corza & Rojas, 2009). Es posible afirmar que con una cantidad
de estireno de entre 10 y 20% la muestra presenta una ruptura promedio de 155
Kg-fuerza, y con 30% de estireno presenta una ruptura promedio de 296,25 kg-
fuerza (Corza & Rojas, 2009). La temperatura adecuada para realizar el curado de
la resina es 18-27ºC; teniendo en cuenta que las condiciones del molde final
dependen del tamaño del mismo (Gil, 2016). El tiempo de desmolde a esa
temperatura varía entre 1-2 horas (Gil, 2016).
Por ejemplo, una de las resinas más usadas en las TPA de repleción-corrosión es
la resina poliéster 818; esta resina ortoftálica semirrígida se destaca por su alta
claridad, resiliencia y buena resistencia ambiental ("Literatura técnica Cristalán
818", 2016).
Tabla 4. Cambios mecánicos en resinas de poliéster según carga.
Material Características
Aceite de Coco Mejoramiento de la estabilidad térmica de las resinas. (Costa et al., 2016).
Aceite de Soya Mejor porcentaje de estabilidad térmica con respecto al aceite de coco y a la resina poliéster sin modificaciones. (Costa et al., 2016).
Aceite de Castor Mejora de propiedades físicas, térmicas y mecánicas (especialmente tenacidad) debido a que la incompatibilidad
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generada por la diferencia de número de ácidos grasos (Liu, Li, Lei, & Zhou, 2014).
Agentes de Curado
Otro de los elementos que genera cambios significativos en el producto de resina
terminado luego del proceso de RC es el agente de curado. Para que la resina
adquiera sus propiedades mecánicas características es necesario un proceso de
endurecimiento para así convertirla en un material termoestable (Liesa & Bilurbina,
1990). Mediante este proceso, la resina pasa de ser un líquido viscoso o un sólido
frágil, a un material polimérico resistente (Liesa & Bilurbina, 1990).
El agente de curado puede ser un catalizador o puede actuar como entrecruzante
reactivo, quedando integrado con sus grupos funcionales en la estructura final
(Liesa & Bilurbina, 1990). En general se consideran dos sistemas de curado: el
realizado con un agente catalítico y el que se realiza con un reactivo endurecedor
(Liesa & Bilurbina, 1990).
Estos agentes resultan de gran importancia en las propiedades mecánicas y
térmicas de la resina, además intervienen en los tiempos y velocidades de curado
(Liesa & Bilurbina, 1990). Sin embargo, es importante encontrar un equilibrio entre
los beneficios que se quieren obtener y los costos o riesgos que estos conllevan.
Por ejemplo: es posible reducir el tiempo de curado al aumentar la temperatura
drásticamente, disminuyendo la resistencia mecánica final de la resina (Liesa &
Bilurbina, 1990). En general, los agentes de curado de tipo amina producen una
buena resistencia en la resina aunque aumentan la toxicidad de la misma durante
su manipulación (Liesa & Bilurbina, 1990); así como los agentes de curado de tipo
anhídrido orgánico son menos tóxicos pero demoran más en curar y obtienen alta
resistencia a temperaturas altas (Liesa & Bilurbina, 1990).
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Tabla 5. Variación según agente de curado para resinas epóxicas y poliéster.
Material Resinas epóxicas Resinas poliéster
Anhídrido maleico
Kocaman y Ahmetli (2016) afirman que este agente de curado al 30% tiene 81.04% de grado de curado siendo el penúltimo de los nueve investigados. Sin embargo, posee 0.820% de elongación a la rotura, 44.99 MPa de fuerza tensil y 78.5 de dureza.
Mejoramiento de las propiedades mecánicas (Costa et al., 2016).
Anhídrido ftálico
Kocaman y Ahmetli (2016) indican que el anhídrido ftálico al 30% tiene 97.16% de grado de curado, ubicándolo en las primeras posiciones de los nueve investigados. Además, posee 0.449% de elongación a la rotura, 35.18 MPa de fuerza tensil y 80.5 de dureza.
Mejores condiciones mecánicas a las resinas poliéster pero menor estabilidad térmica (Costa et al., 2016).
Anhídrido succínico
Este agente de curado al 30% puede llegar a obtener un 98.10% de grado de curado haciendo de este el primero de los nueve investigados. Asimismo, posee 0.554% de elongación a la rotura, 64.68 MPa de esfuerzo tensil y 82.0 de dureza.
Mayor estabilidad térmica por la formación de geles en su interior (Costa et al., 2016).
A partir de las variaciones mecánicas ya descritas tanto por los elementos de carga
como por los agentes de curado, es imperativo describir las características
mecánicas de estos polímeros en una situación no ideal, como lo es su uso en una
TPA.
OBJETIVO GENERAL
Caracterizar las propiedades mecánicas de las resinas utilizadas en la repleción
corrosión (RC), al ser tratadas siguiendo los protocolos de un Laboratorio de
Anatomía, usando pruebas estandarizadas de tensión, flexión e impacto (ASTM) y
pruebas reproducibles que simulen el uso en docencia de especímenes repletados
y corroídos de órganos animales.
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Objetivos Específicos
- Determinar las propiedades mecánicas de las resinas utilizadas en RC,
manufacturadas al seguir protocolos para TPA y no protocolos estándar.
- Determinar los diámetros mínimos repletados por medio de la técnica según
la resina utilizada.
- Determinar si el uso de una resina plastificante agregada a la resina poliéster,
representa mejor resistencia al uso en la técnica de represión corrosión (RC).
- Determinar cuál resina presenta mejor respuesta en modelos reales de RC
al someterlos a pruebas de impacto en un modelo experimental que simule
el ambiente real de uso.
MATERIALES Y MÉTODOS
El estudio realizado es de tipo cuantitativo. Como requisito, se escogieron polímeros
que al fraguar fueran rígidos y mantengan su estructura tridimensional.
Criterios de Inclusión
Resinas disponibles en el mercado nacional usadas en las TPA (acrílica, epóxica y
poliéster) que al finalizar el proceso permitan obtener como resultado un espécimen
rígido, que mantenga la estructura tridimensional interna del órgano inyectado.
Criterios de Exclusión
Cualquier material que dé como resultado un espécimen terminado flexible o que
no cumpla con los criterios de inclusión.
Polímeros utilizados
Como se ha descrito con anterioridad, las probetas y piezas para realizar las
pruebas se manufacturaron utilizando resinas disponibles en el mercado nacional y
ya aplicadas a las TPA.
Para el caso de la resina poliéster se encontró una resina que se recomienda para
aplicaciones en las que se requiere de mayor flexibilidad de la pieza resultante,
denominada cristalan. Esta, se recomienda por el proveedor en concentraciones de
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15% V/V con la resina poliéster rígida a utilizar6. En la Tabla 6 se describen los
polímeros y proporciones utilizadas para el estudio.
Tabla 6. Polímeros y proporciones utilizadas para manufactura.
Energía de fractura (J/cm), F Fractura, CL Caída libre, P Pérdida de material en
caída libre, T Adecuada Tinción del polímero, R Adecuada Resolución de repleción,
LR Lesión del polímero por el proceso de corrosión alcalina.
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