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.

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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

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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.

9

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

11

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.

14

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

16

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

19

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

21

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

22

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.

34

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