Moldagem por injeção de placas craniofaciais em PLGA 85:15: influência dos parâmetros do processo e da localização do ponto de injeção

Abstract

O poli(ácido lático-co-glicólico), PLGA, é um copolímero utilizado para a fabricação de dispositivos médicos, dentre eles, placas de fixação óssea craniofaciais absorvíveis utilizadas em cirurgia bucomaxilofacial. A fabricação destes produtos geralmente emprega a moldagem por injeção, com o comportamento final do produto influenciado pelos parâmetros deste processo. No uso, as placas craniofaciais são frequentemente submetidas a aquecimento acima da Tg para sua moldagem manual e adaptação à geometria da estrutura óssea do paciente. Com isso, há a necessidade de conhecer quais alterações podem ocorrer e o impacto deste processamento termomecânico no desempenho do produto, bem como relacionar e quantificar as alterações ocorridas com os parâmetros de injeção adotados. Neste trabalho, placas craniofaciais foram moldadas por injeção seguindo um planejamento experimental fatorial 2k com ponto central, tendo como parâmetros controlados a temperatura de injeção (Tinj, 230-260 °C) e a do molde (Tmolde, 25-45 °C), a vazão (Vinj, 10-30 cm³. s-1) e o ponto de injeção na placa (extremidade e centro). Após a moldagem, as placas foram imersas em água a 90 °C por 30 s para aquecimento. As dimensões e massa das placas, as propriedades térmicas e mecânicas (DSC, DMA e Flexão em 04 pontos), birrefringência e características químicas (FTIR-HATR) foram avaliadas nas condições pós moldagem e pós aquecimento. Os dados obtidos foram analisados estatisticamente por ANOVA Fatorial, permitindo quantificar a influência dos parâmetros de injeção no comportamento das placas, principalmente pós aquecimento acima da Tg. Com o aquecimento acima da Tg, as placas sofreram retração no comprimento entre 2,11 % e 12,58 %, incrementando também a espessura entre 1,25 % e 8,52 % o que resultou em modificação do comportamento mecânico sob flexão 04 pontos, com aumento de até 42,28 % para a rigidez a flexão e de 46,46 % para a resistência máxima a flexão. Ficou evidenciado que o principal parâmetro de injeção responsável por esse comportamento foi a temperatura de injeção, sendo que na temperatura de 260 °C resultou na menor influência dimensional e variação de propriedades. Ademais, o ponto de injeção centralizado resultou em melhor manutenção dimensional e de comportamento mecânico das placas pós aquecimento. Os parâmetros de injeção Tmolde e Vinj contribuíram em menor magnitude para a variabilidade dos resultados, tendo como principal efeito o auxílio na manutenção da temperatura de injeção durante o preenchimento das cavidades das placas. Também foram obtidos modelos empíricos por regressão fatorial que permitem estimar e antecipar o comportamento dimensional e mecânico das placas pós aquecimento acima da Tg em função dos níveis dos parâmetros de injeção adotados. Estes modelos podem ser importantes ferramentas para o projeto de placas craniofaciais absorvíveis em PLGA, permitindo estimar características e propriedades das placas ainda na fase de desenvolvimento destes produtos.

Abstract: Poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA, is a copolymer used in the manufacturing of medical devices, including absorbable craniofacial bone fixation plates used in oral and maxillofacial surgery. The production of these products typically employs injection molding, with the final behavior of the product influenced by the parameters of this process. In use, craniofacial plates are often subjected to heating above their glass transition temperature (Tg) for manual molding and adaptation to the geometry of the patient's bone structure. Thus, it becomes necessary to understand what changes can occur and the impact of this thermomechanical processing on product performance, as well as to relate and quantify the changes that occur with the adopted injection parameters. In this work, craniofacial plates were molded by injection following a 2k factorial experimental design with a central point, having controlled parameters as the injection temperature (Tinj, 230-260 °C) and mold temperature (Tmolde, 25-45 °C), the flow rate (Vinj, 10-30 cm³/s), and the injection point on the plate (end and center). After molding, the plates were immersed in water at 90 °C for 30 seconds for heating. The dimensions and mass of the plates, thermal and mechanical properties (DSC, DMA, and four-point bending), birefringence, and chemical characteristics (FTIR-HATR) were evaluated in post-molding and postheating conditions. The data obtained were statistically analyzed by factorial ANOVA, allowing the quantification of the injection parameters' influence on the plates' behavior, especially after heating above Tg. With heating above Tg, the plates underwent shrinkage in length between 2.11% and 12.58%, also increasing in thickness between 1.25% and 8.52% resulting in modification of the mechanical behavior under four-point bending, with increases of up to 42.28% for bending stiffness and 46.46% for maximum bending strength. It was evidenced that the main injection parameter responsible for this behavior was the injection temperature, where 260 °C resulted in the least dimensional influence and property variation. Moreover, the centralized injection point resulted in better dimensional maintenance and mechanical properties of the plates after heating. The injection parameters Tmolde and Vinj contributed to a lesser extent to the variability of results, mainly aiding in maintaining the injection temperature during the filling of the plate cavities. Empirical models were also obtained by factorial regression that allows estimating and anticipating the dimensional behavior and mechanical properties of the plates after heating above Tg based on the levels of injection parameters adopted. These models can be important tools for the design of absorbable craniofacial plates in PLGA, allowing for the estimation of characteristics and properties of the plates even in the development phase of these products.