Exploración de las propiedades del material, métodos de esterilización, aplicaciones clínicas y proceso de impresión 3D de Polietileno Tereftalato Glicol (PETG)

Publicación escrita por: Amber Jin

1. Introducción

El politereftalato de glicol (PETG) es una versión modificada con glicol del PET, un material ampliamente conocido por su presencia en botellas de agua. Este poliéster termoplástico destaca por su excepcional resistencia química, durabilidad y gran flexibilidad para conformarse, lo que lo convierte en una opción versátil para aplicaciones de fabricación. Cabe destacar que el PETG requiere temperaturas de moldeo bajas, lo que facilita procesos de vaciado, conformado por presión y doblado por calor (Ksawery et al., 2017). En el ámbito de la fabricación aditiva, el filamento de PETG se ha consolidado como uno de los materiales preferidos, especialmente en la impresión por Modelado por Deposición Fundida (FDM). Este documento profundiza en las propiedades intrínsecas del PETG, analiza su papel fundamental en aplicaciones clínicas a través de métodos de esterilización, y finalmente examina los procesos de impresión del filamento.

Figura 1. Imagen del filamento de PETG de Novus.

2. Propiedades del Material

Las propiedades de un material determinan su uso y aplicación. Esta sección presentará las propiedades del PETG desde dos aspectos: propiedades mecánicas y otras propiedades.

2.1 Propiedades mecánicas

Según el experimento realizado por Ksawery et al. (2017), la serie de especímenes con un espesor de 5 mm, Z-PETG y impresos en dirección plana, presentó un valor medio del módulo de Young de 5.9 GPa y un valor mediano de 6.3 GPa. Estos valores indican la rigidez del PETG y su capacidad para resistir deformaciones bajo carga. Además, la resistencia a la tracción del PETG, que determina su capacidad para resistir la rotura en tracción, se encuentra en el rango de 55-75 MPa, resaltando su robustez y aptitud para aplicaciones estructurales. La resistencia al impacto del PETG, generalmente en el rango de 5-20 kJ/m², demuestra su durabilidad en situaciones donde la resistencia a golpes es esencial. Finalmente, la resistencia a la flexión, que mide la capacidad del material para resistir la deformación por doblado, suele situarse entre 70-90 MPa, evidenciando su aptitud para mantener la integridad estructural bajo fuerzas de flexión (Ksawery et al., 2017).

Figura 2. Resultado de la prueba de especímenes de PETG para el módulo de Young (Ksawery et al., 2017).

En conclusión, el PETG es un termoplástico transparente, miscible y con excelentes propiedades de resistencia a la tracción y flexibilidad. Las propiedades mecánicas del PETG, incluyendo su módulo de Young, resistencia a la tracción, resistencia al impacto y resistencia a la flexión, lo posicionan como un material versátil adecuado para una amplia gama de aplicaciones en diferentes industrias.

2.2 Otras Propiedades

Después de una exhaustiva investigación, Mercado-Colmenero et al. (2020) demostraron que, en simulaciones numéricas, el PETG fabricado mediante la técnica de fabricación por filamento fundido (FFF) puede considerarse como un material isotrópico. Las propiedades del PETG son fundamentales para su rendimiento y aplicaciones. El PETG es aún más flexible y resistente a temperaturas que el ácido poliláctico (PLA). Puede soportar temperaturas hasta 75 grados Celsius y sus cualidades no se ven afectadas por la luz ultravioleta (Grzelak et. al., 2021). Además, el PETG presenta una excelente resistencia química y durabilidad, siendo resistente a una amplia gama de químicos, incluyendo ácidos, álcalis y solventes. Esta propiedad hace que el PETG sea adecuado para aplicaciones donde la exposición a sustancias corrosivas es una preocupación, como en contenedores de almacenamiento químico y equipos de laboratorio.

Asimismo, el PETG es conocido por su bajo índice de absorción de humedad, lo que contribuye a su estabilidad dimensional y resistencia a factores ambientales. La baja absorción de humedad también lo hace apto para aplicaciones que requieren condiciones higiénicas, como envases alimentarios y dispositivos médicos.

En conclusión, estas características del PETG facilitan su desinfección mediante altas temperaturas o alcoholes, lo que lo hace más adaptable a soluciones médicas en comparación con otros materiales comúnmente utilizados en la fabricación aditiva en el ámbito médico.

3. Esterilización

La esterilización de los materiales utilizados en impresión 3D generalmente puede realizarse de dos maneras: 1) esterilización térmica mediante calor seco o vapor, también conocida como esterilización por autoclave; y 2) esterilización en bajas temperaturas usando productos químicos como óxido de etileno (EtO) o peróxido de hidrógeno, o mediante radiación con luz ionizante o ultravioleta (Oth et al., 2019).

La esterilización térmica convencional mediante vapor a temperaturas de 121 grados Celsius o más, con niveles significativos de humedad, puede provocar deformaciones en el PETG durante el proceso, dado su bajo punto de fusión. Esto se debe a que la degradación hidrolítica y térmica ha comprometido la integridad de la matriz polimérica. Además, el tiempo transcurrido desde la producción hasta el uso real de la herramienta quirúrgica puede causar cambios importantes en las propiedades de tracción y flexión del PETG, modificando su estructura y funcionalidad general (Fuentes et al., 2022).

En comparación con la esterilización térmica, las deformaciones morfológicas causadas por la esterilización con EtO y radiación gamma son submilimétricas, es decir, sus variaciones morfológicas son menores a 0.2 mm. Por lo tanto, el método de esterilización a baja temperatura resulta mucho más adecuado para su uso en cirugías (Oth et al., 2019).

4. Aplicaciones clínicas

El filamento de PETG encuentra diversas aplicaciones en entornos clínicos debido a sus propiedades únicas. En el ámbito médico, el PETG se utiliza comúnmente para fabricar equipos médicos, prótesis, modelos quirúrgicos y otros productos relacionados con la atención sanitaria. La biocompatibilidad del PETG lo hace apto para contacto directo con la piel y los tejidos, sin causar reacciones adversas ni sensibilidades.

4.1 Aplicación dental

El PETG se emplea con frecuencia en aplicaciones dentales debido a su biocompatibilidad y resistencia. Dado que el PETG tiene una temperatura de transición vítrea (Tg) de aproximadamente 80°C, puede manejarse con mayor facilidad y presenta características similares al vidrio (Bichu et al., 2023). En aplicaciones ortodónticas, las propiedades complementarias del PET y PETG, con el PET siendo rígido y cristalino y el PETG flexible y amorfo, crean una combinación armoniosa para los aparatos ortodónticos. Estos materiales destacan en la fabricación de alineadores transparentes debido a sus propiedades ópticas, que permiten una transmisión y reflexión eficiente de la luz, asegurando una visibilidad clara de los dientes durante el tratamiento, como se muestra en la Figura 3 a continuación. La investigación de Iijima et al. (2015) indica que el PETG, representado por Duran, mantiene propiedades mecánicas estables y memoria de forma incluso bajo temperaturas variables, soportando condiciones intraorales hasta 57°C. Además, los estudios demuestran la durabilidad del PETG a través de numerosos ciclos térmicos y desgaste prolongado, resaltando su resistencia y estabilidad en aplicaciones dentales, lo que lo convierte en una opción confiable para tratamientos ortodónticos a largo plazo.

Figura 3: El proceso metódico de creación de alineadores transparentes en 3D mediante impresión directa (Bichu et al., 2023).

4.2 Aplicaciones en optometría

El paciente debe proporcionar medidas precisas para las lentes correctivas destinadas a la fabricación de gafas recetadas. Para apoyar el proceso de producción en la obtención de estas mediciones, se han desarrollado herramientas de medición confiables. Los dispositivos de medición pueden fabricarse mediante técnicas como la estereolitografía, el modelado por deposición fundida (FDM), la sinterización láser y la inyección de plástico (FDM). Materiales termoplásticos como el PETG han despertado interés debido a su capacidad para producir instrumentos de medición precisos para la fabricación de lentes, especialmente con las mejoras actuales en la tecnología FDM. El PETG puede extruirse mediante esta tecnología para depositar capas de material y crear estos mecanismos de medición según sea necesario, como se muestra en la Figura 4 a continuación (Constantin et al., 2023).

Figura 4: Imagen del mecanismo general (vista lateral y vista isométrica) para obtener mediciones en la construcción de lentes.

4.3 Aplicaciones quirúrgicas

La integración de la tecnología de impresión 3D ha revolucionado la fabricación rápida de instrumentos quirúrgicos hechos a medida, representando un avance prometedor que podría mejorar la capacidad de los médicos para abordar eficazmente la fisiopatología única de cada paciente. Sin embargo, uno de los principales desafíos asociados con el uso de PETG para la creación de herramientas quirúrgicas radica en la vulnerabilidad de la matriz polimérica a la degradación cuando se somete a calor húmedo durante el proceso de esterilización (Fuentes et al., 2022). La dependencia predominante de métodos de esterilización tradicionales limita la adopción generalizada del PETG en entornos quirúrgicos. Por ello, ha habido un interés creciente en desarrollar instrumentos quirúrgicos desechables como una alternativa viable.

4.4 Aplicaciones protésicas

Aunque las prótesis miotécnicas modernas son costosas, las prótesis mecánicas tradicionales presentan dificultades para ofrecer la misma movilidad y flexibilidad. Las prótesis mecánicas impresas en 3D ofrecen una nueva solución a este problema, ya que pueden ser diseñadas y personalizadas para cada paciente. Además, el material debe ser liviano, fácil de llevar y tolerado cuando entra en contacto directo con la piel del paciente. Tras comparar el precio, la versatilidad, la durabilidad y las resistencias mecánicas de diferentes filamentos de impresión 3D, se ha demostrado que el PETG, con su resistencia mecánica previa para soportar peso y fuerzas, además de su menor coste y mejor disponibilidad, es una opción adecuada (Desai et al., 2021). El PETG también puede combinarse con otros materiales para mejorar sus propiedades. Por ejemplo, un material compuesto reforzado con fibra de carbono (PETG-CF15) fue encontrado que facilita un diseño topológicamente optimizado que combina resistencia a la compresión con áreas críticas que permiten movimiento, resultando en un ortésico personalizado para un ortésico experimental de tobillo y pie, como se muestra en la Figura 5 a continuación (Steck et al., 2023).

Figura 5: La órtesis de pierna con PETG-CF15 optimizada topológicamente. (a) Vista en perspectiva; (b) Uso en el pie.

5. Propiedades de la impresión 3D

En el ámbito de la impresión 3D, el filamento de PETG se destaca como una opción preferida, caracterizada por un conjunto de propiedades únicas que son esenciales para procesos de impresión exitosos. En particular, el PETG presenta una resistencia excepcional a productos químicos y impactos, lo que garantiza la durabilidad de los objetos impresos en diversas aplicaciones. Su estabilidad térmica notable refuerza aún más sus capacidades de impresión, asegurando un rendimiento constante durante todo el proceso. Además, el PETG es reconocido como un material compatible con alimentos, ampliando su utilidad en diferentes industrias (Trhlíková et al., 2016).

Con un rango de temperatura de extrusión de 220-260 °C y operando a una velocidad de impresión moderada de aproximadamente 40-60 mm/s, el PETG ofrece un perfil térmico preciso que permite obtener impresiones de alta calidad. Para evitar problemas de warping, es fundamental mantener la temperatura de la cama de impresión en torno a los 80 °C, ya que temperaturas superiores pueden afectar negativamente la calidad final de la pieza debido a su bajo punto de fusión (Trhlíková et al., 2016). Estas propiedades inherentes posicionan al PETG como un filamento versátil y confiable en la impresión 3D, atendiendo a una amplia variedad de necesidades de fabricación con resultados consistentes y de alta calidad.

El PETG se distingue también por su alta resistencia al impacto, la ausencia de olores en sus emisiones y su adecuada estabilidad térmica. Sin embargo, presenta ciertas limitaciones en comparación con otros filamentos, como el ABS. Una de las principales desventajas es su elevada hygroscopicidad, que dificulta su almacenamiento adecuado. Además, una limitación destacada del PETG es su poca adherencia a la pintura, lo cual puede dificultar o imposibilitar la implementación de acabados pintados satisfactorios en las superficies de PETG (Trhlíková et al., 2016). La Tabla 1 presenta una comparación entre las ventajas y limitaciones del filamento PETG en la impresión 3D, en relación con otros materiales como el ABS, TPU y PLA.

Propiedad	PETG	ABS	TPU	PLA
Emisiones	No tóxico (sin embargo, se requiere una ventilación adecuada)	Tóxico	No tóxico (sin embargo, se requiere una ventilación adecuada)	No tóxico (sin embargo, se requiere una ventilación adecuada)
Humedad	Sí	Sí	Sí	Sí
Temperatura de cama caliente	70-80	80-110	60-90	20-60
Temperatura de fusión	220-260	210-250	190-245	180-230
Biodegradabilidad	No	No	No	Yes
Resistencia mecánica	Muy buena (pero propensa a arañazos)	Buena	Muy buena	Mediana
Reciclabilidad	Sí	Sí	Sí	Sí

Tabla 1. Propiedades de impresión 3D del PETG y otros materiales.

6. Conclusión

En conclusión, la versatilidad y las propiedades únicas del filamento de PETG lo convierten en una opción atractiva para diversas aplicaciones en los campos médico, dental, de la optometría, quirúrgico y protésico. Su biocompatibilidad, durabilidad y estabilidad térmica lo hacen adecuado para fabricar una amplia gama de productos, desde aparatos ortodónticos y alineadores transparentes hasta instrumentos quirúrgicos y prótesis. A pesar de sus fortalezas en la impresión 3D, que incluyen alta resistencia al impacto y seguridad alimentaria, el PETG presenta limitaciones como su elevada hygroscopicidad y su poca adherencia a la pintura en comparación con otros filamentos como el ABS.

La investigación presentada resalta la importancia del PETG en el avance de las tecnologías de la salud y en la mejora de los resultados de los pacientes mediante aplicaciones innovadoras. Aunque ofrece numerosos beneficios, es necesario continuar con esfuerzos de investigación y desarrollo para abordar sus limitaciones y potenciar su utilidad en diversos entornos. Aprovechando sus fortalezas y explorando materiales compuestos como el PETG-CF15, existe un potencial para optimizar aún más sus propiedades en aplicaciones específicas. En general, los hallazgos destacan el potencial del PETG como un material confiable y eficiente en la fabricación de dispositivos médicos y en la impresión 3D, abriendo camino a nuevos avances en tecnología sanitaria y atención al paciente.

7. Referencias

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