POLIMERIZACIÓN ÉSTER-SACÁRICA, DONDE DICHO BIOMODELO 3D LOGRA UNA RESISTENCIA MECANICA FRENTE A LA FLEXIÓN CERCANA A LA DEL

HUESO HUMANO

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se relaciona con la industria de la impresión en tres dimensiones (3D) o tridimensional, en el área de la salud. Más específicamente la presente invención es un método de obtención de un biomodelo 3D por medio de polimerización éster-sacárida, en donde dicho biomodelo 3D logra una resistencia mecánica frente a la flexión cercana a la del hueso humano, necesaria para realizar pruebas sin requerir de huesos humanos, como por ejemplo en pruebas de carácter destructivo o ensayos preoperatorio, para practicar la operación antes de aplicarla al paciente.

La tecnología de prototipado o impresión en tres dimensiones (3DP) ha comenzado a usarse en los últimos años para la fabricación de modelos médicos, también conocidos como "biomodelos". Estos se centran especialmente en partes anatómicas del esqueleto, y permiten a los cirujanos traumatólogos, maxilofaciales y neurocirujanos planificar mejor el acto quirúrgico, sobre todo cuando la patología es compleja. Por esta razón se buscan combinaciones de materiales que permitan realizar biomodelos con precisión geométrica, realismo físico-mecánico y reducción en costos.

ESTADO DEL ARTE En el estado del arte se encuentran diferentes sistemas y métodos relacionados a los biomodelos, entre ellos está la patente JP51018769A del año 1974, describe patrones no uniformes que se forman sobre la superficie de láminas de poliéster, sin el uso de moldes, donde se adhieren partículas de un material soluble en agua (cloruro de calcio, almidón, polivinil alcohol, u otros) sobre la superficie de la lámina no curada. Posteriormente, se realiza una etapa de curado y luego un lavado con agua de manera de remover las partículas que no se adhirieron a la superficie. Distintos patrones se obtienen dependiendo del tamaño de las partículas utilizadas. También está la solicitud de patente WO20041 13042A2 del año 2004 describe un sistema de materiales y método para permitir la formación de artículos por impresión tridimensional. En particular, el sistema de materiales incluye un relleno termoplástico que permite una definición precisa de los artículos que se espera producir, que tienen una resistencia apropiada, sin resultar quebradizos. Finalmente, se indica que el artículo fabricado puede calentarse al menos parcialmente para sinterizarse con el material termoplástico particulado.

La solicitud de patente US20050059757A1 del año 2004, describe un sistema de materiales para la formación de artículos por impresión tridimensional, donde el sistema de materiales incluye un relleno particulado absorbente que facilita la absorción de infiltrados, permitiendo así una alta definición o precisión de los artículos producidos con una mejora en las características mecánicas y estructurales. El método asociado incluye el uso de materiales que cambian de fase para unirse o ligarse a un polvo, como también la formación de estructuras de soporte que mejoren el control de la forma de los artículos producidos. Finalmente se indica una etapa de curado en un horno.

La presente invención se relaciona con un método de obtención de un biomodelo 3D por medio de polimerización éster-sacárida, donde dicho biomodelo 3D logra una resistencia mecánica frente a la flexión cercana a la del hueso humano. La invención también considera dentro del método una etapa de curado a una temperatura y tiempo determinados. Tal como se aprecia, en el estado del arte se encuentran documentos que hacen referencia a materiales éster-sacáridos (JP51018769A) y la impresión en tres dimensiones con combinación de polímeros entre los cuales están el almidón y el poliéster (WO20041 13042A2) sin embargo, en ninguno de los documentos del arte previo se presenta el método de obtención de un biomodelo 3D que logre como resultado una resistencia mecánica frente a la flexión cercana a la del hueso humano con una variación menor al 6%, ni describen los aditivos de la resina, que logran la resistencia mecánica deseada. DESCRIPCION DE LA INVENCIÓN

La presente invención considera un método de obtención de un biomodelo 3D por medio de polimerización éster-sacárida, donde dicho biomodelo 3D logra una resistencia mecánica frente a la flexión cercana a la del hueso humano. Los materiales y el curado utilizados en el método de obtención del biomodelo 3D permiten obtener un biomodelo 3D que presenta una resistencia mecánica frente a la flexión muy cercana (95 - 105%) a la del hueso porcino, que es de gran similitud al humano, y por tanto, permite su aplicación en una amplia variedad de condiciones tales como la fabricación de modelos óseos o fantomas óseos de alto realismo físico y geométrico, reemplazo de material óseo usado en instrumentos musicales a cuerda (selletas de puentes y cejuelas), o cualquier dispositivo mecánico que pueda poseer resistencia cercana o similar a la del hueso.

DESCRIPCIÓN DE LA FIGURA

En la Figura 1 se muestra el resultado de un ensayo de flexión a 3 puntos en un fémur de porcino real (R 2) versus el comportamiento de un biomodelo fabricado con material de base polisacárido infiltrado (AB 21 ; AB 22 y AB 23)y no infiltrado (A 2).

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La presente invención considera un método de obtención de un biomodelo 3D por medio de polimerización éster-sacárida, donde dicho biomodelo 3D logra una resistencia mecánica frente a la flexión cercana a la del hueso humano. En el método se utiliza la combinación de dos compuestos, el primero seleccionado de un grupo de polisacáridos, y el segundo, seleccionado desde una resina polimérica estérica, unido a una etapa de curado. Inicialmente, se fabrica un biomodelo probeta, modelo o molde por medio de una impresión 3D, usando como compuesto un polisacárido, que se selecciona entre almidón que proviene de tubérculos tales como maíz, arroz, papas y entre otros, como también celulosa, y mezclas entre almidón y celulosa, donde la concentración de dicha mezcla comprende celulosa desde 10% a 50% completando con almidón. En una segunda etapa, se elabora una resina de infiltración, usando como ingrediente principal una resina polimérica estérica seleccionada entre al menos un poliéster alquil modificado, poliéster ortoftálico, poliéster isoftálico, poliéster bisfenólico, poliéster vinílico. Luego, esta resina polimérica esférica se combina con monómero de estireno, un acelerante y un catalizador para así lograr una resina de infiltración.

Finalmente, la invención considera una etapa de curado que permite una polimerización éster-sacárida entre los dos compuestos seleccionados, polisacárido y resina de infiltración, de manera que se obtiene un biomodelo 3D que alcanza una resistencia mecánica frente a la flexión muy cercana (95- 105%) a la del hueso porcino, de gran similitud al hueso humano.

De acuerdo a lo anterior, el método de obtención de un biomodelo 3D por medio de polimerización éster-sacárida, donde dicho biomodelo 3D logra una resistencia mecánica frente a la flexión cercana a la del hueso humano comprende las siguientes etapas: i) Imprimir un molde 3D a base de polisacárido que se selecciona entre almidón o celulosa o una mezcla de ambos, en donde la concentración de dicha mezcla comprende celulosa desde 10% a 50% completando con almidón, por medio de una impresora 3D; ii) Elaborar una resina de infiltrado, que comprende los pasos de: a) agregar a un recipiente una cantidad de resina estérica junto con una cantidad de monómero de estireno, en una razón de resina estérica: monómero de estireno de entre 30:1 a 10:1 , agitar constantemente; b) agregar un acelerante de acuerdo a la resina estérica y al monómero de estireno en una razón de 1 parte por 210 partes de la mezcla resina estérica y monómero, agitar constantemente; c) agregar catalizador, de manera de obtener una resina preparada, en una razón de 1 parte por 42 partes de la mezcla resina estérica, monómero y acelerante, agitar constantemente; iii) Infiltrar al molde 3D de material base polisacárido: a) agregar la resina de infiltración de la etapa (ii) en forma de baño al molde; b) someter el molde bañado a una cámara de extracción de vacío por un periodo de entre 30 segundos a 5 minutos; c) opcionalmente repetir la etapa b) hasta comprobar que el material bañado (probeta, molde o modelo) quede cubierto completamente, por ejemplo, volteando el material la segunda vez de manera de cubrir la zona que eventualmente no fue cubierta en la primera oportunidad; d) retirar el material limpiando los excedentes con un material absorbente; e) dejar secar a temperatura ambiente; iv) Curar el molde 3D, sometiéndolo a una temperatura de entre 80 a 150°C por un período de entre 1 a 48 horas.

En una realización particular, la resina de infiltración de la etapa ii) se prepara en una razón de resina:monómero de estireno de 20:1 .

En otra realización de la invención, en la etapa iii) de infiltración el material se somete a la extracción en cámara de vacío por un período de entre 30 segundos a 5 minutos, más preferentemente de 1 minuto a 3 minutos, más preferentemente por 1 minuto y 30 segundos.

En otra realización, cuando opcionalmente se repite el paso b) en la etapa iii) en la cámara de extracción, se considera un tiempo dentro de la cámara de entre 15 segundos a 2 minutos y 30 segundos por cada vez, más preferentemente, entre 30 segundos a 1 minuto y 30 segundos, más preferentemente 45 segundos cada vez.

En una realización de la invención, el material absorbente es papel absorbente.

En otra realización, en la etapa de secado a temperatura ambiente se considera un período de entre 1 hora y 48 horas, más preferentemente entre 5 horas y 24 horas, más preferentemente 12 horas. Finalmente, como acelerante se puede utilizar una solución de acetato de cobalto al 6% y como catalizador se puede utilizar peróxido orgánico. El peróxido orgánico puede ser peróxido de metiletilcetona (MEKP) en un 16-17% de concentración. EJEMPLOS DE APLICACIÓN EJEMPLO 1 . i) En una primera etapa se imprime un biomodelo 3D a base de una mezcla de polisacárido que contiene 10% en peso de celulosa y 90% de almidón, por medio de una impresora 3D. ii) Luego, se prepara la resina de infiltración agitando constantemente en cada etapa a 30 rpm, hasta formar una solución homogénea de acuerdo a lo siguiente. Se vierten 60mL de resina de poliéster PQ33915 junto a 3mL de Monómero de Estireno. A ésta mezcla se agregan 8 gotas de acelerante de Cobalto al 6% y finalmente, 30 gotas de catalizador de peróxido de metiletilcetona (MEKP) al 16%. iii) En seguida se infiltra el biomodelo 3D obtenido en la etapa i), bañando el biomodelo 3D en la resina de infiltración preparada en la etapa ii) hasta que quede completamente cubierto. A continuación, se ingresó el material a una cámara de extracción de vacío por 1 minuto y 30 segundos aproximadamente, se retira el biomodelo y se limpia con papel absorbente, y se seca a temperatura ambiente por 12 horas. iv) Finalmente, se realiza un tratamiento térmico de curado en donde se somete el biomodelo 3D infiltrado con resina a 120°C por 4 Horas.

RESULTADOS Se realiza un análisis comparativo de fémur porcino y biomodelo de fémur fabricado con material polisacárido sin infiltrar e infiltrado, utilizando la formulación de infiltrado del ejemplo 1 , obteniendo las siguientes propiedades señaladas en la Tabla 1 .

De la Tabla 1 , a pesar que se obtienen desplazamientos admisibles menores, es decir, los desplazamientos máximos obtenidos son menores a los del hueso real, los valores de fuerza máxima a flexión para los fémures fabricados en base de material polisacarido, infiltrados con una formulación de resina de infiltración de composición igual a la descrita en el ejemplo 1 , sometidos al tratamiento de post cura acorde a los resultados anteriores, son prácticamente iguales a la mayoría de los valores obtenidos al ensayar los fémures reales. En relación a la densidad másica obtenida, esta es cercana a la del hueso real (83 %). Lo anterior también se observa en la figura 1 .

Estos valores permiten asegurar que este material polisacárido infiltrado con la resina de infiltración y curada en tiempo y temperatura indicadas, posee la resistencia necesaria para la creación de biomodelos óseos de huesos reales y su uso en docencia y preparación de cirugías.

En la Tabla 2, se realiza una comparación entre el resultado de fémur porcino y biomodelo de fémur fabricado con material cerámico infiltrado, es decir con base de sulfato de calcio, ya conocido en el estado del arte, y material de base polisacárido infiltrado de acuerdo a la presente invención.

De la Tabla 2 se observa una mejora sustancial en los valores de la fuerza de flexión y desplazamiento obtenidos usando el material de base polisacárido infiltrado en comparación con el material cerámico infiltrado.