ANALYSIS OF BIOMODELS AFTER AUTOCLAVING

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1 ANÁLISE DE BIOMODELOS APÓS AUTOCLAVAGEM 412 ANALYSIS OF BIOMODELS AFTER AUTOCLAVING Antonio César MANENTTI FOGAÇA * Juliana Dreyer da SILVA DE MENEZES ** Marília GERHARDT DE OLIVEIRA *** Ingeburg HELLWIG **** Lívia Prates SOARES ZERBINATI ***** Ferdinando DE CONTO ****** João Feliz DUARTE DE MORAES ******* Clóvis MARZOLA ******** * Professor da Faculdade de Odontologia da Universidade Federal de Pelotas (UFPel), Pelotas, Brasil. ** Cirurgiã-dentista. Especializanda da APCD Regional de Bauru, Colégio Brasileiro de CTBMF. *** Professora da Faculdade de Odontologia da PUCRS, Porto Alegre, Brasil, Pesquisadora do Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnológico (CNPq). **** Professora da Faculdade de Odontologia da PUCRS, Porto Alegre, Brasil. ***** Professora da Faculdade de Odontologia da UNIME, Bahia, Brasil. ****** Professor da Faculdade de Odontologia da UPF, Passo Fundo, Brasil. ******* Professor da Faculdade de Matemática da PUCRS, Porto Alegre, Brasil. ******** Professor Titular aposentado da Faculdade de Odontologia de Bauru da USP. Professor dos Cursos de Residência e Especialização da APCD Regional de Bauru, Colégio Brasileiro de CTBMF e Hospital de Base de Bauru da Associação Hospitalar de Bauru.

2 RESUMO 413 Este é um estudo preliminar descritivo para avaliar a precisão dimensional de dois biomodelos após a autoclavagem. Os dados foram obtidos por meio de tomografia computadorizada (TC) de crânio seco, como base para a construção de dois protótipos utilizando duas técnicas de prototipagem rápida, a impressão tridimensional (3DPTM) com pó de gesso e, a sinterização seletiva a laser (SLS) de pó de poliamida. Utilizando 19 caracteres cranianos, 10 medidas lineares de cada protótipo foram repetidas vinte vezes cada uma utilizando um paquímetro digital. Depois, os biomodelos de SLS e 3DPTM foram autoclavados sob as mesmas condições e parâmetros técnicos. Cada medição linear foi repetida 20 vezes, após a autoclavagem, mas apenas para o modelo SLS, pois o modelo 3DPTM foi deformado durante o procedimento. Os biomodelos fabricados com pó de poliamida utilizando a técnica SLS (modelo SLS) não sofreram alteração dimensional significativa durante a autoclavagem, sugerindo que esta técnica pode ter aplicabilidade clínica e cirúrgica em potencial. ABSTRACT This is a preliminary descriptive study to assess the accuracy of two dimensional biomodels after autoclaving. Data were obtained from computed tomography (CT) scan of a skull, being used as a basis for the construction of two prototypes using two techniques of rapid prototyping: three-dimensional printing (3DPTM) with plaster dust and selective laser sintering (SLS ) of polyamide. Using 19 cranial, 10 of each prototype linear measurements were repeated twenty times each using a digital caliper. Thereafter, the SLS and biomodels 3DPTM were autoclaved under the same conditions and technical parameters. Each linear measurement was repeated 20 times, after autoclaving, but only for the SLS model because the model was deformed 3DPTM during the process. The biomodels made with polyamide powder technique using SLS (SLS model) did not change significantly during autoclaving dimensional, suggesting that this technique may have clinical applicability and potential surgery. Unitermos: Biomodelos; Autoclavagem. Uniterms: Biomodels; Autoclaving. INTRODUÇÃO A técnica de CAD, traduzida como desenho auxiliado por computador, permite a produção peças virtuais com auxílio da informática. A combinação do CAD e manufatura auxiliada por computador (CAM) pode ser utilizada para a fabricação de protótipos utilizando tecnologias de prototipagem rápida (RP). Os biomodelos RP são protótipos biomédicos fabricados a partir de imagens obtidas por tomografia computadorizada (TC), ressonância magnética (MRI) ou ultra-sonografia (US) (LIGHMAN, 1998 e GRANDO, 2005). Biomodelos podem ser utilizados para a medição das estruturas anatômicas e simulação de osteotomias e ressecções, podendo auxiliar no planejamento cirúrgico. A sua utilização reduz o tempo de operação, melhora

3 414 potencialmente os resultados finais, reduzindo consequentemente o custo total do tratamento (LIGHMAN, 1998 e ROSA; OLESKOVICZ, 2004). A sinterização seletiva a laser (SLS) constrói modelos físicos a partir de pós processados em um material inerte e, termicamente ambiente controlado dentro de uma câmara. Um laser de CO2 é usado para alcançar a fusão (sinterização) de temperatura. Depois que uma camada é sinterizada, outra camada de pó novamente é depositada e sinterizada e, o procedimento é repetido tantas vezes quantas forem necessárias para completar a construção da peça. Peças fabricadas com essa técnica exigem acabamento superficial, mas a maior vantagem do SLS é que uma grande variedade de materiais, como metais, pode ser utilizada (WANG, 1999 e CIMJECT, 2008). A SLS produz protótipos esterilizáveis funcionais com resistência térmica e mecânica (HARDRO; WANG; STUCKER, 1999; WANG, 1999 e MEURER; MEURER; DA SILVA et al., 2008). Autoclavagem utiliza vapor saturado sob pressão. A esterilização é alcançada devido à ação combinada da temperatura, pressão e umidade (BRITO; GALVÃO; FRANÇOLIN et al., 2002). A prototipagem por meio de 3DPTM impressão tridimensional constrói biomodelos por camadas adicionando, tendo um menor custo de produção. No entanto, os modelos têm excesso de rugosidade, além de uma resistência mecânica baixa (MONTE; PAIVA; TRIGUEIRO, 2007 e OLIVEIRA; MAIA; NORITOMI et al., 2007). PA 2200 (Munique, Alemanha) é um pó fino de poliamida e, sua aplicação típica é na fabricação de protótipos totalmente funcionais que suportam facilmente altas cargas mecânicas e térmicas. Poliamida tem uma densidade de 1.4g/cm3, ponto de fusão em 255 C, ponto de amolecimento de 235 C, boa resistência química aos ácidos, porém não resiste a solventes fenólicos e alcalinos fracos ou fortes (RAHAL; GUIMARÃES; FORTES et al., 1999 e RILNOR, 2007). MATERIAL E MÉTODOS Este estudo foi aprovado pelo Comitê de Ética da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS), Porto Alegre, Brasil, CEP 0089/04. Os dados foram obtidos por meio de tomografia computadorizada (TC) de um crânio seco, sendo usada como base para a construção de dois protótipos utilizando duas técnicas de prototipagem rápida, a sinterização a laser tridimensional de impressão e a seletiva. A unidade utilizada para o fabricação dos biomodelos SLS foi Sinteristation 2000 (DTM, EUA). Um pó fino de poliamida, PA 2200, EOS (Munique, Alemanha), foi utilizado para a fabricação do modelo, totalizando 15 horas de tempo de produção. Uma Zprinter 310 System (Burlington, EUA) foi utilizada para imprimir o modelo 3DPTM. Os materiais utilizados para a fabricação de pó de gesso foram ZPTM 102 e um aglutinante à base de água. Z Bond 100 (Laguna Niguel, Califórnia), um agente de infiltração à base de cianoacrilato, foi aplicado sobre a superfície do modelo após a fabricação. As medições dos biomodelos de SLS e 3DPTM foram feitas antes da esterilização e, no biomodelo SLS após a esterilização, com auxílio de um paquímetro digital de 300 mm Starrett (Itu-SP, BR) /300 com uma precisão

4 415 de 0,01 mm de acordo com certificado de calibração não /2007 emitida pela Metroquality, um laboratório credenciado pela Rede Metrológica do Rio Grande do Sul (RMRS) sob n º Cada medida foi repetida 20 vezes pelo mesmo examinador e, um teste t pareado foi utilizado para verificar a calibração do examinador. A ordem das medições foi aleatória para garantir que ele não iria afetar os resultados. AP - Abertura Piriforme: Ponto na margem lateral da abertura piriforme (bilateral). ANS - Espinha Nasal Anterior: Dica da coluna anterior ósseo nasal. Básio - Ba: O ponto médio da margem anterior do forame magno. EF - Frontal Externo: O ponto mais anterior do córtex frontal, no plano médio. EO - occipital externa: o ponto médio da margem anterior do occipital LFM - Lateral Forame Magno: Ponto na margem mais lateral do forame magno (bilateral). N - Násio: ponto na intersecção do frontal e ossos nasais. OF - Forame Oval: Ponto na margem medial do forame oval (bilateral). Op - Opisthion: O ponto médio da margem posterior do forame magno. ENP - Espinha Nasal Posterior: O ponto médio em relação ao limite dorsal do palato. T-Tuberosidade: Ponto na margem lateral da tuberosidade maxilar (bilateral). ZF - Zigomaticofrontal: Ponto na margem medial do zigomaticofrontal (bilateral). Zy - Zigion: Ponto na fronteira mais lateral do centro do arco zigomático (bilateral). Comprimento craniano máximo (MCL): comprimento ânteroposterior da placa óssea externa do crânio, a distância entre (EF) e (EO), Comprimento do palato (PL): Distância entre (ANS) e (PNS); Forame Oval (DE): distância entre direita e esquerda (DE); amplitude bizigomática (BZB): Distância entre direita e esquerda (Zy); largura maxilar (MXB): A distância entre direita e esquerda (T). Comprimento do Forame Magno (FML): comprimento ânteroposterior do forame magno, a distância entre (Ba) e (Op); Frontozigomatica (FZ): Distância entre direita e esquerda (FZ), largura da abertura piriforme (FAD): Distância entre direita e esquerda ( AP), o forame magno Largura (FMW): maior diâmetro do forame magno (LFM), medido da direita para a esquerda. N-ANS: Distância vertical entre (N) e (ANS). A autoclave utilizada para biomodelos de SLS e 3DPTM foi a Cristofoli Vitale 21, unidade que pertencia à Central de Esterilização de Odontologia da Policlínica Militar de Porto Alegre, Brasil. RESULTADOS As médias e desvios-padrão de cada medição foram calculados para ambos os biomodelos antes da autoclavagem. Após a esterilização, só biomodelo o SLS foi avaliado, pois o modelo 3DPTM sofreu deformação. O software SPSS 11.5 e Microsoft Windows foram utilizados para processamento e análise de dados.

5 416 Um teste t pareado foi utilizado para a comparação das médias obtidas antes e após a esterilização do biomodelo SLS, com p 0,01. Após o processo de esterilização em autoclave, as medidas lineares horizontais externas apresentaram variação dimensional de até 190 centésimos de milímetro no comprimento craniano máximo (MCL): antes da esterilização 187,14 milímetros e 187,33 milímetros após esterilização. As medidas lineares horizontais internas apresentaram uma variação dimensional de até 5 centésimos de milímetro na largura do Forame Magno (FMW): antes da esterilização, 26,20 milímetros, após a esterilização 26,25 milímetros. A medida linear vertical externa mostrou uma variação dimensional de até 190 centésimos de milímetro (N-ANS): antes da esterilização 49,73 milímetros, após esterilização: 49,92 milímetros. O desvio padrão nunca foi maior que 320 / 100 de milímetro e o teste t de Student não mostraram diferenças estatisticamente significativas antes e após a autoclavagem (p 0,01). Estes resultados estão listados (Tabelas 1 e 2). Tabela 1 - Média e desvio-padrão das medidas lineares externas horizontais e verticais do biomodelo SLS antes e após a autoclavagem. Externa Horizontal Medidas Lineares Pré-esterilização Pós-esterilização Média (mm) SD Média (mm) SD P MCL BZB PL OF MXB Externa Vertical Medidas Lineares Pré-esterilização Pós-esterilização P N-ANS BZB: largura bizigomática largura, MCL: Máximo comprimento do crânio; MXB: largura maxilar; N- ANS: násio espinha nasal anterior; DE: forame oval; P: teste t de Student; mm: milímetros; PL: comprimento Palato, DP: desvio-padrão; SLS: sinterização seletiva a laser. Fonte: Piloto de pesquisa do Prof. Fogaça.

6 417 Tabela 2 - Médias e desvios-padrão das medidas lineares internas horizontais do biomodelo SLS antes e após a autoclavagem. Medidas lineares internas Pré-autoclave Pós-autoclave Média SD Média SD (mm) (mm) LFM FMW FZ PAW P LFM: Comprimento do Forame magno; FMW: Largura do Forame magno; FZ: Frontozigomatico; P: teste t de Student; mm: milímetros PAW: Largura da abertura piriforme; SLS: sinterização seletiva a laser, DP: desvio-padrão. Fonte: Piloto de pesquisa do Prof. Fogaça. DISCUSSÃO O material utilizado no protótipo biomodelo deve ter excelente estabilidade dimensional após a autoclavagem para garantir que um biomodelo esterilizado possa ser usado em cirurgias com segurança. Autoclavagem produz esterilização pela interação da temperatura, pressão e umidade promovendo consequente coagulação e desnaturação de proteínas celulares e estruturas genéticas dos microrganismos. Este método utiliza-se de água destilada, uma substância biocompatível, como o veículo para a esterilização e, portanto, não atribui efeito residual a este processo. Quando corretamente indicado, o uso de um biomodelo reduz o tempo operacional, o tempo no bloco cirúrgico e, consequentemente, o uso de drogas intra-operatório. Os benefícios também podem ser esperados para recuperação pós-operatória, com reduções nas taxas de infecção, uso de antibióticos e complicações cirúrgicas. O uso de biomodelos estéreis em cirurgias gera grandes benefícios para o paciente (LIGHMAN, 1998; PECKITT, 1999; VOLPATO, 2001; GRANDO, 2005; OLIVEIRA; MAIA; NORITOMI et al., 2007 e MEURER; MEURER; DA SILVA et al., 2008). 34% dos custos da cirurgia são o resultado de tempo de operação (JAMES; SLABBEKOORN; EDGIN et al., 1998). Portanto, em uma avaliação custo-benefício sugere-se que, quando biomodelos são adequadamente indicados, esta análise será positiva, justificando o investimento financeiro na prototipagem biomodelo para o diagnóstico e cirurgias. Portanto, o objetivo desta pesquisa foi encontrar um material de baixo custo com excelente estabilidade dimensional após a autoclavagem, trazendo eficiência e eficácia aos procedimentos cirúrgicos que utilizam biomodelos estéreis. Em cirurgias reconstrutivas, como a ressecção de tumor seguida de implantes de tecido, deformidades faciais e procedimentos de ortognática e, a

7 418 correção da anquilose da articulação temporomandibular, pode-se obter benefícios substanciais a partir da utilização de um biomodelo estéril na sala de cirurgia. Em tais condições a prototipagem do biomodelo traz benefícios para os pacientes, pois simplifica o tratamento, resultando em melhor prognóstico (ZANDONÁ, 2003; YAXIONG; DICHEN; BINGHENG et al., 2003; CUNNINGHAM; HAUG, 2004 e MEURER; MEURER; DA SILVA et al., 2008). Ao mesmo tempo, esta técnica não traz vantagens substanciais, não reduzindo os custos em casos de trauma ósseo, cirurgia ortognática sem segmentação e, implantes pequenos (ZANDONÁ, 2003 e ROSA; OLESKOVICZ, 2004). Os sistemas de prototipagem podem ser classificados de acordo com a forma do material utilizado. Este estudo incidiu sobre materiais em pó, avaliando a técnica SLS, que utiliza pó de poliamida e a 3DPTM, utilizando pó de gesso (VOLPATO, 2001). A baixa resistência mecânica e grande absorção de vapor após a autoclavagem tornam impossível a utilização biomodelos fabricados usando a técnica 3DPTM e gesso. O protótipo de gesso absorvia vapor quando autoclavados, resultando em nova cristalização e dissolução dos cristais. Quando secos, os novos cristais se tornaram maiores, formando uma estrutura mais porosa, com menor resistência mecânica. Além disso, sua resistência mecânica é inversamente proporcional à quantidade de água absorvida. Após autoclavagem, grandes alterações dimensionais e porosidade foram observadas. Isto indica que a água tinha sido absorvida. O gesso perde resistência mecânica na presença de água, calor e altas pressões, tornando impossível esterilizar este tipo de material através autoclave (LIGHMAN, 1998; FOGGIATTO, 2006; MONTE; PAIVA; TRIGUEIRO, 2007 e SEACAM, 2007). A sinterização ocorre através do aquecimento do pó e laços de fusão. Este tipo de processo de fabricação produz biomodelos termoplásticos com resistência satisfatória (WANG, 1999; HARDRO; WANG; STUCKER, 1999; FOGGIATTO, 2006; MEURER; GERHARDT-OLIVEIRA; MEURER et al., 2007 e OMNEXUS. 2007). Poliamida tem resistência mecânica e térmica e, também é resistente à corrosão atmosférica e industrial, raios UV, desgaste e impactos. Ela tem boa elasticidade, baixo atrito e coeficiente de absorção de água (OMNEXUS. 2007). A estabilidade dimensional de um biomodelo poliamida esterilizado em autoclave foi a condição fundamental para este estudo para alcançar o seu objetivo. Os resultados mostraram que a poliamida é um material resistente aos efeitos térmicos, podendo ser autoclavado. O uso do vapor como agente esterilizante não resultou em novos poros no biomodelo não havendo perda de resistência mecânica ou danos à sua estrutura tridimensional. O teste t de Student revelou que não houve diferenças significativas entre as dez medidas lineares obtidas antes e após a autoclavagem, calculadas usando um total de 400 medições. Em um nível de significância de 1% (p 0,01), todas as medidas apresentaram distribuição normal e, sem variações estatisticamente significativas, sugerindo que este material tem um potencial excelente para ser usado em cirurgias. Portanto, a autoclave não causou mudanças significativas no modelo dimensional SLS, indicando sua aplicabilidade clínica e cirúrgica. O biomodelo 3DPTM não pôde ser medido após a autoclavagem por causa da alteração dimensional observada após a autoclavagem. Portanto, este tipo de protótipo não é indicado para cirurgias se o método de esterilização utilizado é o mesmo.

8 CONCLUSÕES 419 Os biomodelos fabricados com pó de poliamida utilizando a técnica SLS (modelo SLS) nos testes primários, não sofreram alteração dimensional significativa durante a autoclavagem, sugerindo que esta técnica possa ter aplicabilidade clínica e cirúrgica em potencial. REFERÊNCIAS * BRITO, M. F. P.; GALVÃO, C. M.; FRANÇOLIN, L. et al., Validação do processo de esterilização de artigos médico-hospitalares segundo diferentes embalagens. Rev. brás. Enferm.. v. 55, p , BROD, J. A.; MOURA, M. A. Classe dos sulfatos e wolframatos. In: Fundamentos de Mineralogia. Brasília: Instituto de Geociências [cited 2007, sept. 29]. CIMJECT, U. F. S. C. Laboratório de projeto e fabricação de componentes de plástico injetados. Florianópolis -SC [cited 2008 aug. 21]. Available from: CUNNINGHAM, L. L.; HAUG, R. H. Management of maxillary fractures. Tehran: Tehran University of Medical Science; [cited 2007 aug. 24]. Available from: 23_1.pdf. FOGGIATTO, J. A. O uso da prototipagem rápida na área médico-odontológica. Tecnologia & Humanismo [cited 2007 nov. 28];1:60-8. Available from: GRANDO, N. Segmentação de imagens tomográficas visando a construção de modelos médicos [thesis]. [Curitiba (PR)]: Universidade Tecnológica Federal do Paraná; HARDRO, P. J.; WANG, J. H.; STUCKER, B. E. Determining the parameter settings and capability of a rapid prototyping process. Internat. J. Ind. Engineer. Theory Applications and Practice. 1999;6: Available from: JAMES, W. J.; SLABBEKOORN, M. A.; EDGIN, W. A. et al., Correction of congenital malar hypoplasia using stereolithography for presurgical planning. J. oral Maxillofac. Surg., v. 56, n. 4, p , LIGHMAN, A. [CD-ROM]. Image realization: Physical models from scan data. San Diego: SPIE Symposium, Medical Imaging, San Diego; MEURER, E.; GERHARDT-OLIVEIRA, M.; MEURER, M. I. et al., Os biomodelos de prototipagem rápida em cirurgia e traumatologia bucomaxilofacial. Rev. Odontol. da ATO, [cited 2007 jul. 23]. Available from: MEURER, M. I.; MEURER, E.; DA SILVA, J. V. L. et al., Aquisição e manipulação de imagens por tomografia computadorizada da região maxilofacial visando à obtenção de protótipos biomédicos. Radiol Bras., v. 41, p , MONTE, M.; PAIVA, P.; TRIGUEIRO, F. Técnicas alternativas para a modificação do caulim. CETEM. Brasília (DF), [ cited 2007 sept. 03]. Available from: * De acordo com as normas da ABNT.

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