PLA stampato in 3d e campioni a forma di manubrio PLA / PHA: difetti dei materiali e il loro impatto sul comportamento di degradazione

Bioplastiche stampate in 3D analizzate per difetti dei materiali e degradazione

Ricercatori polacchi e spagnoli cercano più risposte nel campo della scienza dei materiali, rilasciando i loro risultati in ” PLA stampato tridimensionale e campioni a forma di manubrio PLA / PHA: difetti dei materiali e il loro impatto sul comportamento di degradazione “.

Esplorando come le condizioni di elaborazione incidono sul PLA nelle applicazioni mediche, gli autori presentano nuove ricerche su come i campioni sperimentali del loro studio hanno reagito alla degradazione idrolitica a lungo termine. Il PLA è uno dei polimeri più comunemente usati nella stampa 3D. Mentre il PLA è a base vegetale, non tossico, biodegradabile e potenzialmente biocompatibile, si deforma facilmente anche a basse temperature. I poliidrossialcanoati (PHA) offrono molti degli stessi benefici e vengono utilizzati nella medicina rigenerativa, nella fabbricazione di organi e nei tessuti.

Entrambi i filamenti PLA e PLA / PHA sono stati utilizzati nello studio per creare campioni di manubri:

“Il componente PHA nella miscela PLA / PHA contiene principalmente unità 3-idrossibutirrato e un piccolo numero di unità 3-idrossivalerate”, hanno detto i ricercatori. “Tuttavia, non è stato possibile differenziare / accertare se il componente PHA è una miscela poli (3-idrossibutirrato- co -3-idrossivalerato) (PHBV) o poli (3-idrossibutirrato) (PHB) / PHBV.”

Una stampante 3D a doppia estrusione Flashforge Dreamer è stata utilizzata per creare campioni, in triplice copia:

“I campioni con fenomeni di contrazione imprevisti dopo il trattamento termico post-elaborazione sono stati preparati secondo [ 4 , 15 ] con due diverse direzioni di costruzione di elaborazione, una con direzione di costruzione di elaborazione orizzontale (piana, piano XY) e con angolo raster (45 ° / – 45 °) e un secondo con una direzione di costruzione verticale (verticale, piano ZX) e con angolo raster (90 ° / 0 °) “, hanno spiegato i ricercatori.

“Per ulteriori esperimenti di degradazione in cui è stato fatto un tentativo di scoprire le ragioni dei fenomeni di contrazione dopo il trattamento termico post-elaborazione, i campioni a forma di manubrio (campione intero e tagliato) sono stati incubati nelle stesse condizioni di prima per un periodo di Solo 7 giorni, poiché il restringimento ha dovuto verificarsi nella fase iniziale di degrado dopo l’applicazione della temperatura elevata. “

Immagini macrografiche dei campioni a forma di manubrio in polilattide (PLA) e PLA / poliidrossialcanoato (PHA) ottenuti mediante stampa 3D in direzione orizzontale (H) e verticale (V) prima (A e C) e dopo 70 giorni di test di degradazione idrolitica a 70 ° C (B — i campioni interi dopo la degradazione, D — tagliano a metà i campioni dopo la degradazione).

Macro e micro-osservazioni sono state eseguite sia prima che dopo il processo di degradazione. I ricercatori hanno notato “fenomeni di restringimento inattesi” sotto forma di ritiro e deformazione durante la post-elaborazione, per entrambi i tipi di campioni di materiale.

“Di solito, il materiale a base di PLA si disintegra già nella fase iniziale della degradazione idrolitica (a 70 ° C dopo 7 giorni)”, hanno affermato i ricercatori. “Tuttavia, in questo caso non si è verificata una significativa disintegrazione. In considerazione del fatto che si tratta di un difetto abbastanza significativo, è stato fatto un tentativo di trovare le ragioni di questo fenomeno e di esaminarne gli effetti sul processo di degrado. “

Micrografie SEM selezionate (200 ×) degli strati superiore (UH) e inferiore (BH) di campioni a forma di manubrio PLA e PLA / PHA ottenuti dalla stampa 3D in direzione orizzontale (H) e verticale (V) prima (A) e dopo 70 giorni di test di degradazione idrolitica a 70 ° C (B) tutti i campioni dopo la degradazione, (C) tagliati a metà dei campioni dopo la degradazione).

“Non sono stati osservati fenomeni di contrazione per il campione PLA / PHA a forma di manubrio ottenuto dalla stampa 3D in direzione orizzontale (tagliato a metà)”, hanno detto i ricercatori. “Gli altri campioni sono stati sottoposti a contrazione. Nel caso di campioni a forma di manubrio in PLA / PHA ottenuti mediante stampa 3D in direzione orizzontale (campioni interi), è stata osservata un’ulteriore deformazione (torsione) dei campioni, mentre lo stress aggiuntivo causato dal taglio dei campioni a metà ha prodotto effetti piuttosto diversi dopo il degrado. “

Larghezza media del filamento degli strati superiore (UH) e inferiore (BH) di PLA e PLA / PHA campioni a forma di manubrio ottenuti mediante stampa 3D in direzione orizzontale (H) e verticale (V) prima e dopo 70 giorni di test di degradazione idrolitica a 70 ° C.

Per il campione PLA / PHA a forma di manubrio ottenuto dalla stampa 3D in direzione verticale, così come il campione 3D stampato in orizzontale, i ricercatori hanno notato che la perdita di filamento poteva essere attribuita solo al processo di degradazione. La contrazione per i campioni stampati in 3D in direzione verticale era del 51 percento e per quelli stampati in orizzontale del 40 percento.

Sovrapposizione di cromatogrammi cromatografici a permeazione di gel (GPC) selezionati di campioni a forma di manubrio in PLA e PLA / PHA ottenuti mediante stampa 3D in direzione orizzontale (H) e verticale (V) dopo 70 giorni di degradazione a 70 ° C (colonna con intervallo lineare fino a Mw = 25.000 g / mol). Una piccola immagine mostra il cromatogramma del materiale prima della degradazione (due colonne con un intervallo lineare di Mw = 200–2.000.000 g / mol).

“I fenomeni di contrazione osservati durante l’esperimento di degradazione come difetto si sono rivelati significativi e ripetibili a una temperatura di 110 ° C. Gli imprevisti fenomeni di contrazione dopo il trattamento termico post-elaborazione, si sono verificati sia in campioni non condizionati che in campioni condizionati, in condizioni ambientali specifiche (degradazione idrolitica a 70 ° C e condizionamento a 110 ° C) ”, hanno concluso i ricercatori.

“Tagliare il campione a metà ha interrotto il suo orientamento, il che ha comportato un cambiamento di comportamento durante gli esperimenti di degrado. Inoltre, i fenomeni di restringimento hanno causato una maggiore perdita di massa molare durante l’esperimento di degradazione, mentre, d’altra parte, il taglio a metà dei campioni a forma di manubrio ha portato ad un aumento della dispersione della massa molare. L’osservazione di fenomeni di restringimento inattesi dopo il trattamento termico post-elaborazione nel caso di materiali realizzati in PLA o con la sua aggiunta, che sono di grande importanza in applicazioni specializzate, in particolare con potenziale per uso biomedico, è un difetto del materiale piuttosto significativo. “

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