Desenvolvimento e Análise de um Filamento para Impressão 3D Antimicrobiano a partir de Compósito de Casca de Amendoim-PLA

Índice

1. Introdução e Visão Geral

Esta pesquisa apresenta o desenvolvimento de um novo filamento para impressão 3D através da incorporação de pó de casca de amendoim (Partículas de Arachis hypogaea L. - AHL) numa matriz polimérica de Ácido Polilático (PLA). O objetivo principal é criar um material compósito sustentável que aproveita a abundância da biomassa da casca de amendoim para conferir propriedades únicas ao filamento padrão de PLA. O compósito visa melhorar o perfil mecânico do filamento, especificamente o seu módulo de elasticidade, ao mesmo tempo que introduz características antimicrobianas intrínsecas — uma funcionalidade não presente no PLA puro. Este trabalho responde à crescente demanda na manufatura aditiva por materiais que não só apresentem alto desempenho e sejam imprimíveis via Fabricação por Filamento Fundido (FFF), mas também sejam ecologicamente conscientes e funcionalmente avançados para aplicações em dispositivos biomédicos, embalagens seguras para alimentos e outros domínios onde a higiene é crítica.

2. Metodologia e Síntese do Material

2.1 Preparação de Partículas de Arachis hypogaea L. (AHL)

As cascas de amendoim foram obtidas, limpas e secas para remover a humidade. Em seguida, foram moídas mecanicamente e peneiradas para obter uma distribuição de tamanho de partícula consistente, crucial para uma dispersão uniforme dentro do polímero fundido. O pó foi potencialmente tratado (por exemplo, via tratamento alcalino ou com silano) para melhorar a adesão interfacial com a matriz de PLA, embora o PDF sugira esta como uma etapa de otimização futura.

2.2 Processo de Fabricação do Filamento Compósito

Os grânulos de PLA e o pó de AHL foram misturados a seco em frações mássicas predeterminadas (por exemplo, 1%, 3%, 5% em peso). A mistura foi então alimentada num extrusor de rosca dupla para a composição por fusão. Os parâmetros do processo — perfil de temperatura, velocidade da rosca e tempo de residência — foram otimizados para garantir a fusão adequada do PLA e a dispersão homogénea das partículas de AHL sem degradação térmica. O material composto foi subsequentemente peletizado e depois re-extrudado através de um extrusor de filamento de rosca única para produzir filamento com um diâmetro de 1,75 ± 0,05 mm, adequado para impressoras 3D FFF padrão.

3. Caracterização do Material e Resultados

3.1 Análise das Propriedades Mecânicas

Testes de tração foram realizados tanto nos filamentos de PLA puro quanto nos compósitos PLA-AHL, de acordo com a norma ASTM D638. Os resultados indicaram um compromisso fundamental:

• Melhoria do Módulo de Elasticidade: A incorporação de partículas de AHL atuou como um reforço, aumentando a rigidez (módulo de elasticidade) do compósito. Isto pode ser modelado conceptualmente pela Regra das Misturas para o limite superior: $E_c = V_f E_f + V_m E_m$, onde $E_c$, $E_f$ e $E_m$ são os módulos do compósito, do enchimento e da matriz, e $V$ representa as frações volumétricas.
• Redução da Tenacidade à Fratura: Com o aumento da fração mássica de AHL, a tenacidade à fratura e a resistência à tração máxima mostraram uma ligeira diminuição. Isto é atribuído à introdução de microvazios e pontos de concentração de tensão em torno da interface partícula-matriz, tornando o material mais frágil. O critério de Griffith para fratura frágil, $\sigma_f = \sqrt{\frac{2E\gamma}{\pi a}}$, destaca como defeitos (tamanho $a$) reduzem a tensão de fratura ($\sigma_f$).

3.2 Propriedades Físicas e Morfológicas

A análise por Microscopia Eletrónica de Varrimento (MEV) das superfícies de fratura revelou uma textura mais rugosa e a presença de microvazios no compósito, correlacionando-se com a tenacidade reduzida. Foram realizadas medições de porosidade, índice de fluidez em fusão (MFI) e molhabilidade superficial (ângulo de contacto). O MFI diminuiu com a adição de AHL, indicando uma maior viscosidade do fundido, o que influencia a imprimibilidade. A rugosidade superficial aumentou, o que pode ser benéfico para a adesão de certas células em contextos biomédicos, mas prejudicial para obter acabamentos superficiais lisos.

3.3 Avaliação da Eficácia Antimicrobiana

As propriedades antimicrobianas foram avaliadas contra bactérias gram-positivas e gram-negativas comuns (por exemplo, E. coli, S. aureus) utilizando testes de zona de inibição ou ensaios de contacto direto. Amostras impressas em 3D a partir do filamento PLA-AHL demonstraram um claro efeito inibitório, confirmando que os compostos bioativos dentro das cascas de amendoim (provavelmente fenóis ou outros metabolitos secundários) permaneceram ativos após o processamento térmico da impressão 3D. Esta é uma descoberta significativa, uma vez que muitos aditivos naturais perdem funcionalidade durante o processamento a alta temperatura.

4. Análise Técnica e Estrutura Conceitual

4.1 Ideia Central

Este não é apenas mais um compósito "verde"; é uma reengenharia estratégica de material que troca com sucesso uma propriedade marginal, muitas vezes superdimensionada (resistência à tração máxima em aplicações estáticas) por duas características de alto valor e diferenciadoras no mercado: rigidez aprimorada e atividade antimicrobiana incorporada. A pesquisa explora astutamente um fluxo de resíduos agrícolas subutilizado e de custo zero para adicionar funcionalidade, indo além da típica narrativa de sustentabilidade para uma de aumento de desempenho. Num mercado saturado com PLA e ABS simples, isto cria um nicho claro.

4.2 Fluxo Lógico

A lógica do estudo é industrialmente sólida: 1) Identificar uma biomassa residual com suspeitas propriedades bioativas (cascas de amendoim). 2) Formular a hipótese do seu duplo papel como reforço mecânico e agente funcional. 3) Empregar composição polimérica padrão e extrusão de filamento — um processo escalável e de baixo CAPEX — para criar o compósito. 4) Validar sistematicamente a hipótese testando propriedades mecânicas, físicas e biológicas. O fluxo espelha protocolos estabelecidos de desenvolvimento de compósitos, como visto em trabalhos sobre madeira-PLA ou fibra de carbono-PLA, mas com uma virada deliberada para a biofuncionalidade. A decisão de usar FFF, a tecnologia de manufatura aditiva mais acessível, é um golpe de mestre para a potencial comercialização.

4.3 Pontos Fortes e Fracos

Pontos Fortes: A proposta de valor única (USP) do material é inegável: melhoria de rigidez e ação antimicrobiana simultâneas a partir de um único enchimento barato. O processo é escalável e compatível com a infraestrutura de fabrico existente. O uso de PLA como matriz garante que o material base permaneça biodegradável e proveniente de recursos renováveis, atraindo investidores e consumidores focados em ESG.

Pontos Fracos: O compromisso na tenacidade é uma limitação de engenharia real. O aumento relatado de microvazios e rugosidade superficial sugere ligação interfacial inadequada e potencial aglomeração de partículas — problemas clássicos em compósitos particulados. O estudo, conforme apresentado, provavelmente carece de dados de estabilidade a longo prazo: os compostos antimicrobianos lixiviam? O desempenho do material degrada-se com a humidade ou exposição aos UV? Além disso, o mecanismo antimicrobiano é sugerido, mas não profundamente elucidado; é por contacto ou por lixiviação? Esta ambiguidade é importante para a aprovação regulatória em dispositivos médicos.

4.4 Conclusões Práticas

Para Equipas de P&D: O próximo passo imediato é a engenharia de interface. Aplicar tratamentos superficiais (silanos, PLA enxertado com anidrido maleico) às partículas de AHL para melhorar a adesão, reduzir a formação de vazios e potencialmente mitigar a perda de tenacidade. Explorar sistemas de enchimento híbridos — combinando AHL com uma pequena quantidade de nanocelulose ou elastómeros — para criar um perfil de propriedades mais equilibrado.

Para Gestores de Produto: Visar aplicações onde a rigidez e o controlo de infeções são primordiais, e o acabamento superficial é secundário. Pense em: órteses ortopédicas personalizadas, cabos de ferramentas hospitalares, forros de próteses ou componentes de equipamentos de processamento de alimentos. Evitar aplicações que exijam alta resistência ao impacto ou transparência ótica.

Para Investidores: Esta é uma tecnologia de plataforma. O conceito central — usar resíduos agrícolas funcionais em polímeros — pode ser estendido. A próxima ronda de financiamento deve focar-se na produção em escala piloto, testes mecânicos/biológicos segundo normas ISO e iniciar o diálogo regulatório FDA/CE para dispositivos médicos Classe I.

5. Aplicações Futuras e Direções de Desenvolvimento

As potenciais aplicações para o filamento PLA-AHL são significativas, particularmente em sectores que exigem higiene e sustentabilidade:

• Dispositivos Biomédicos: Impressão de guias cirúrgicos personalizados e específicos para o paciente, próteses não implantáveis ou componentes de equipamentos hospitalares que resistem à colonização microbiana.
• Embalagem e Manipulação de Alimentos: Criação de recipientes, utensílios ou pegas personalizadas para maquinaria de processamento de alimentos biodegradáveis e antimicrobianos.
• Bens de Consumo: Brinquedos, utensílios de cozinha ou pegas de artigos de cuidados pessoais onde as propriedades antimicrobianas agregam valor.
• Direções Futuras de Investigação:
  1. Otimizar o tratamento superficial das partículas para melhorar a ligação interfacial e a tenacidade.
  2. Investigar a estabilidade a longo prazo e o perfil de lixiviação dos compostos antimicrobianos.
  3. Explorar a sinergia de AHL com outros enchimentos funcionais (por exemplo, nanocristais de celulose para resistência, partículas de cobre para efeito biocida aprimorado).
  4. Desenvolver estratégias de impressão 3D multi-material onde apenas a camada superficial contém o compósito AHL para eficiência de custo e desempenho.
  5. Realizar uma avaliação completa do ciclo de vida (ACV) para quantificar os benefícios ambientais em comparação com plásticos antimicrobianos tradicionais.

6. Referências

1. Gibson, I., Rosen, D., & Stucker, B. (2015). Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. Springer.
2. Ngo, T. D., Kashani, A., Imbalzano, G., Nguyen, K. T. Q., & Hui, D. (2018). Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges. Composites Part B: Engineering, 143, 172-196.
3. Farah, S., Anderson, D. G., & Langer, R. (2016). Physical and mechanical properties of PLA, and their functions in widespread applications — A comprehensive review. Advanced Drug Delivery Reviews, 107, 367-392.
4. Mazzanti, V., Malagutti, L., & Mollica, F. (2019). FDM 3D printing of polymers containing natural fillers: A review of their mechanical properties. Polymers, 11(7), 1094.
5. Ahmed, W., Alnajjar, F., Zaneldin, E., Al-Marzouqi, A. H., Gochoo, M., & Khalid, S. (2020). Implementing FDM 3D printing strategies using natural fibers to produce biomass composite. Materials, 13(18), 4065.
6. U.S. Department of Agriculture. (2023). Peanut Stocks and Processing. National Agricultural Statistics Service. [Fonte Externa Exemplo]
7. ASTM International. (2022). ASTM D638-22: Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics.