Introducción a las propiedades y usos del polimetilmetacrilato (PMMA)

Publicación escrita por: Netaniah Pinto

1. Introducción

Figura 1. PMMA médico de Novus

El PMMA, o polímero de metilmetacrilato, es un polímero sintetizado a partir de monómeros de metilmetacrilato. El PMMA es un material termoplástico muy valorado en la fabricación y aplicaciones médicas debido a su excepcional resistencia al impacto, su ligereza y su facilidad de procesamiento. Además, el PMMA es un material termoplástico con una estructura amorfa y presenta un grado significativo de biocompatibilidad. En consecuencia, el PMMA ha encontrado una amplia aplicación en el campo médico para diversos procedimientos, como implantes intraoculares, dientes artificiales e implantes de craneoplastia. Este artículo examinará las propiedades materiales y mecánicas del PMMA, así como sus usos medicinales, con el fin de proporcionar una comprensión más profunda de este material.

2. Propiedades de material y mecánicas

Figura 2. Estructura química del PMMA (Imagen recuperada de Ramanathan et al., 2024)

El PMMA es un polímero transparente e incoloro que pertenece a la familia de las acrilatos y tiene una estructura amorfa. Su estructura molecular es (C5O2H8)n y su estructura química se observa en la Figura 2. Podemos deducir de su química fundamental que el PMMA puede existir en formas isotácticas, sindiotácticas o atácticas. La temperatura de transición vítrea (Tg) del PMMA y su solubilidad en agua pueden verse influenciadas por varios factores, como sus monómeros, las estructuras secundarias y terciarias, y la estereoisometría de los enlaces. Además, estos factores también pueden afectar la capacidad del PMMA para cristalizar.

El PMMA presenta un rango de temperatura de transición vítrea que va desde los 100°C hasta los 130°C y tiene una densidad de 1.20 g/cm³ a temperatura ambiente estándar. Es poco afectado por la radiación ultravioleta, lo que lo hace altamente resistente a los rayos UV. Además, muestra una estabilidad térmica excepcional, soportando temperaturas que van desde -70°C hasta 100°C. Tiene un índice de refracción de 1.490, lo que indica una calidad óptica sobresaliente y compatibilidad con la carne humana.

En cuanto a sus propiedades mecánicas, el PMMA es un termoplástico muy duradero que exhibe un módulo de Young alto y una elongación en la rotura baja. Sin embargo, en comparación con otros polímeros de alto rendimiento como el policarbonato (PC), el PMMA es bastante frágil y se agrieta fácilmente. Aunque el PMMA puede mostrar resistencia química frente a la mayoría de los productos químicos acuosos de laboratorio, carece de resistencia significativa a los ésteres, cetonas, compuestos clorados y hidrocarburos aromáticos, siendo susceptible a disolución e hinchazón, principalmente debido a la presencia de grupos éster fácilmente hidrolizables en el polímero.

El PMMA es muy adecuado para aplicaciones médicas debido a su combinación de resistencia y ligereza. Además, posee una durabilidad excepcional y exhibe buena resistencia al impacto, superando a materiales como el polistireno y el vidrio. Además de su buena resistencia al impacto, cuenta con una resistencia a la compresión de 85 a 110 MPa y una resistencia a la tracción de 30 a 50 MPa. A pesar de su alta resistencia a arañazos y golpes, cuando se somete a cargas o impactos fuertes, muestra un comportamiento frágil. La Tabla 1 resume todas las características principales del PMMA.  

	Resumen de las principales características del PMMA
Temperatura de Transición Vítrea	102 °C (range 100-130 °C )
Densidad (a temperatura ambiente)	1.20 g/cm3
Punto de fusión	130 °C
Resistencia a la compresión	85 to 110 MPa
Resistencia a la tracción	30 to 50 MPa
Módulo de Young	2.4 to 3.3 GPa
Índice de refracción	1.490
Absorción de agua	0.3%

Tabla 1. Características principales del PMMA

Es importante mencionar que las aplicaciones que priorizan propiedades como la resistencia a la flexión, transparencia, resistencia a la tracción y tolerancia a la radiación UV, en lugar de la resistencia al impacto, resistencia térmica y resistencia química, son más adecuadas para el PMMA. El PMMA también es un buen sustituto del policarbonato debido a su eficiencia en costos. Además, el PMMA es particularmente adecuado para aplicaciones médicas debido a la ausencia de bisfenol A (BPA), un compuesto presente en el policarbonato. Un estudio realizado por Hafezi y Abdel-Rahman demostró que el BPA es peligroso y puede alterar la función endocrina, por lo que el PMMA libre de BPA es una opción más apropiada para uso médico. Por último, el PMMA tiene una tasa de transmisión de luz del 92-93%, que es mejor que la tasa de transmisión del policarbonato, que oscila entre 86-89%, haciendo del PMMA el mejor material transparente para cirugía, ya que permite una mejor visibilidad.

3. Aplicaciones clínicas de los filamentos de PMMA

Figura 3. Aplicaciones biomédicas del PMMA (Imagen recuperada de Ramanathan et al., 2024)

Como se ilustra en la Figura 3, el PMMA se ha empleado ampliamente en una variedad de aplicaciones biomédicas, que van desde la oftalmología hasta la odontología. El PMMA ha demostrado una biocompatibilidad excepcional debido a su alta tolerancia a las tensiones térmicas y las reacciones químicas que ocurren en los entornos de tejidos humanos. Gracias a su excelente biocompatibilidad y hemocompatibilidad, así como a su facilidad de manipulación, el PMMA ha encontrado un uso generalizado en diversos dispositivos médicos, como bombas de sangre y dializadores. Además, las excelentes características ópticas del material lo hacen adecuado para su uso en lentes oculares implantables y lentes de contacto rígidas. Asimismo, las propiedades físicas favorables y las capacidades de coloración del PMMA también han resultado beneficiosas para la fabricación de prótesis dentales.

Aplicaciones dentales

Figuras 4 y 5. Prótesis dentales de PMMA (Recuperadas de Subadental, 2021)

Debido a su excelente durabilidad y cualidades estéticas, los filamentos de PMMA se utilizan comúnmente para prótesis dentales y aparatos ortodónticos como bases de prótesis, retenedores ortodónticos, dientes artificiales y coronas provisionales (Figuras 4 y 5). Por ejemplo, algunos odontólogos añaden un copolímero a base de caucho al PMMA para crear dientes artificiales con mayor resistencia (Hassan et al., 2019).

Además, la química superficial de los biomateriales desempeña un papel crucial en el proceso de cicatrización que rodea a los dispositivos dentales. Un estudio reciente realizado por Zhu et al., empleando espectroscopía de fotoelectrones de rayos X de alta resolución (XPS), reveló la presencia de nitrógeno en las superficies de los dientes. Dado que el PMMA no contiene nitrógeno de forma inherente, es probable que la adición de compuestos diazonio a la superficie del PMMA pueda facilitar una mejor interacción entre el biomaterial y las células epiteliales gingivales, que son importantes para la cicatrización. Además, un estudio de Abdallah et al. descubrió que la aminación alteró el perfil químico de la superficie del PMMA, mejorando su interacción con fibroblastos orales y células epiteliales gingivales.

Por otra parte, en comparación con los materiales metálicos utilizados en las bases de prótesis, el PMMA presenta ventajas como su atractivo estético, menor peso, manejo conveniente y eficiencia en costos, convirtiéndolo en un biomaterial excelente para aplicaciones dentales.

Figura 6. Implante de PMMA impreso en 3D para el tratamiento de sonrisa gingival (De Castro et al., 2023).

El PMMA también se ha convertido en una opción popular para implantes dentales. En un estudio de caso reciente, De Castro et al. utilizaron PMMA para crear implantes personalizados impresos en 3D destinados al tratamiento de la exposición excesiva de las encías, conocida como "sonrisa gingival". Los investigadores reportaron el caso de un paciente que presentaba un alto grado de exposición de encías al sonreír, condición que requería intervención. Para abordar este problema, los clínicos realizaron un procedimiento de acceso por túnel subperióstico con incisión vestibular (VISTA), que permitió la inserción del implante de PMMA diseñado a medida, como se ilustra en la Figura 6. Tras la intervención quirúrgica, se realizó una evaluación postoperatoria a los 24 meses, la cual mostró una mejora significativa en la exposición de las encías del paciente y en la estética general de su sonrisa. La integración exitosa y los resultados funcionales a largo plazo del implante de PMMA demuestran la idoneidad y versatilidad del material en el campo de la cirugía oral y maxilofacial, resaltando el potencial de los implantes de PMMA impresos en 3D para abordar problemas estéticos complejos de dientes y encías, y contribuyendo al avance de los enfoques de tratamiento personalizados en la odontología.

Aplicaciones médicas

Figura 7. Implante de craneoplastia impreso usando PMMA de Novus

Numerosas aplicaciones médicas hacen un uso extensivo de los filamentos de PMMA. Estos filamentos son adecuados para la impresión en 3D de implantes permanentes y equipamiento médico, ofreciendo una opción precisa y personalizable para diferentes tratamientos ortopédicos y cráneofaciales. Además, como se muestra en la Figura 7, el PMMA puede usarse para crear implantes craneales en procedimientos de craneoplastia.

En un estudio de caso reciente, Da Silva et al. documentaron el tratamiento de un paciente que sufrió un defecto craneo facial tras un accidente de vehículo motorizado, lo que requirió una procedimiento de craneotomía descompresiva. Para abordar el defecto óseo resultante, los investigadores utilizaron imágenes de tomografía computarizada (TC) para generar un prototipo en 3D de la anatomía craneo facial del paciente. Este modelo en 3D se empleó para fabricar un implante personalizado de PMMA, que posteriormente fue implantado quirúrgicamente. El análisis postoperatorio mostró una recuperación sin complicaciones y buenos resultados estéticos para el paciente. Este caso destaca el gran potencial del PMMA en intervenciones quirúrgicas craneales y maxilofaciales, ya que su excepcional biocompatibilidad facilita una recuperación y cicatrización favorables, mientras que sus propiedades ajustables permiten obtener resultados estéticos superiores.

Además de sus aplicaciones craneales, el PMMA también se utiliza como material para investigar una amplia variedad de enfermedades relacionadas con el cáncer o infecciones bacterianas. Recientemente, se empleó en un estudio para crear detectores de dosis de radiación (dosímetros), con el fin de investigar y visualizar la distribución de la dosis de radiación en radioterapia, demostrando su versatilidad en investigación. Además, las características ópticas favorables del PMMA y su biocompatibilidad establecida lo hacen adecuado para la fabricación de lentes intraoculares utilizadas en cirugías de cataratas. Más allá de su uso en oftalmología, los filamentos de PMMA son altamente versátiles y pueden aprovecharse para crear una diversa gama de dispositivos protésicos, incluyendo extremidades artificiales.

En cuanto a su utilización en impresión 3D, los filamentos de PMMA ofrecen una resistencia, resiliencia y maleabilidad excepcionales, lo que los hace convenientes para la impresión, convirtiéndolos en un material invaluable para este propósito. Por lo tanto, debido a su robustez, transparencia y asequibilidad, el filamento de PMMA se ha convertido en una opción práctica accesible para una amplia variedad de pacientes.

4. Métodos de esterilización

El PMMA puede ser esterilizado utilizando una amplia variedad de procesos; sin embargo, existen algunos métodos con los que no es compatible. Por ejemplo, los métodos de esterilización térmica que involucran calor seco o vapor, como la autoclave, deben ser evitados para el esterilizado de PMMA. Las altas temperaturas y el vapor a presión utilizados en estos procesos pueden sobrepasar la temperatura de transición vítrea del PMMA, lo que puede provocar deformaciones o exfoliación del material debido a las tensiones térmicas inducidas. Por lo tanto, se recomienda evitar el uso de autoclaves para esterilizar PMMA.

Por otro lado, métodos alternativos como el óxido de etileno (EtO), el plasma de peróxido de hidrógeno (HPGP) y la irradiación γ son adecuados para la esterilización de PMMA. Un estudio realizado por Münker et al. mostró que el HPGP y el EtO no tenían un impacto sustancial en las propiedades del material. Sin embargo, se observó de manera inesperada que la irradiación γ aumentaba la resistencia a la flexión del PMMA. Este aumento en la resistencia se atribuye a una modificación en la wettability (hidrofobicidad) del material, más que a un incremento en el reticulado. Estudios previos indican que la irradiación γ puede reducir el peso molecular del PMMA al causar escisión de cadenas, lo cual generalmente deteriora sus propiedades mecánicas. El aumento observado en la resistencia a la flexión en las muestras sumergidas en agua tras la irradiación γ puede deberse a una disminución en los grupos laterales hidrofílicos, resultando en un material más resistente en comparación con el control. Por lo tanto, es fundamental seleccionar cuidadosamente el método de esterilización para equipos médicos de PMMA, garantizando la preservación de sus características y funcionalidad previstas.

Adicionalmente, la esterilización con EtO es una opción adecuada para PMMA, especialmente porque funciona bien con materiales sensibles al calor. Es importante seguir las normas ISO11135 y ISO10993-7 para un uso seguro. Además, las cámaras de esterilización con EtO vienen en diferentes tamaños, permitiendo que cada empresa adapte el proceso a sus necesidades de fabricación. Finalmente, la irradiación con peróxido de hidrógeno también es eficaz, ya que es no tóxica y muestra fuertes propiedades microbicidas contra una amplia variedad de bacterias. La plasma de peróxido de hidrógeno genera una gran cantidad de radicales libres que permiten la esterilización, sin comprometer la biocompatibilidad del PMMA. 

5. Una breve introducción al proceso de impresión de PMMA

El rango de temperatura recomendado para la impresión 3D con filamentos de PMMA es de 230°C a 250°C. La temperatura óptima para la cama de la impresora 3D es aproximadamente 60°C. La impresión a temperaturas más bajas puede causar deformaciones y encogimiento del producto final. 

Figura 8. Implantes de craneoplastia impresos en 3D por Novus

Es importante reconocer que el filamento de PMMA en estado líquido libera gases durante el proceso de impresión 3D, los cuales pueden representar riesgos para la salud si se inhalan. Para abordar este problema, es fundamental asegurar una ventilación adecuada en el espacio de impresión y que el usuario evite permanecer cerca de la impresora durante largos períodos mientras está en funcionamiento. Además, la impresión a baja velocidad es clave para el éxito, ya que el PMMA no es apto para impresiones de alta velocidad. La velocidad de impresión óptima es de 30 mm/seg o menos, ya que esto mejora la fluidez del material y la calidad general de la impresión. Implementando estas medidas, se puede reducir eficazmente cualquier potencial riesgo para la salud asociado con las emisiones generadas durante la impresión 3D con PMMA.  

Impresión 3D con PMMA de Novus

El PMMA de Ossfila está certificada según la ISO 10993 y la USP Clase VI, lo que indica su idoneidad y biocompatibilidad para aplicaciones médicas. La certificación ISO 10993 significa que el PMMA de Ossfila ha sido sometido a las pruebas requeridas para demostrar su seguridad biológica general y compatibilidad para su uso en dispositivos médicos, de acuerdo con las especificaciones establecidas por la norma internacional.

Un estudio reciente realizado por Obaeed y Hamdan investigó el uso del PMMA de Ossfila en la producción de un implante craneal para cranieoplastia. Normalmente, los implantes craneales se producen primero creando un molde de ácido poliláctico (PLA), en el cual se vierte el PMMA. Sin embargo, en este estudio se exploró un enfoque innovador de imprimir directamente en 3D el implante de PMMA sin necesidad de un molde de PLA.  

Figura 9. (a) Implante craneal específico de PMMA, (b) Sección del defecto en el cráneo lateral de PLA, (c) Ensamblaje del implante craneal específico y el cráneo (Obaeed & Hamdan, 2024).

Los investigadores utilizaron un archivo STL estándar para obtener la geometría superficial necesaria, que luego fue cargada en una impresora 3D QIDI X-MAX. El implante de PMMA fue creado mediante el principio de fabricación por filamento fusionado (FFF), donde el material termoplástico se depositó capa por capa para formar el producto final. Los resultados del estudio demostraron la reconstrucción y fabricación exitosa de un implante craneal de alta calidad utilizando PMMA de grado médico como material principal (Figura 9). Después de la producción, se realizaron análisis cuantitativos y cualitativos, confirmando el ajuste perfecto y la apariencia estética del implante. Esto resalta la versatilidad y adecuación del PMMA de Ossfila para la producción de implantes craneales, ya que fue capaz de crear un trasplante de alta calidad usando esta técnica innovadora.

Modelado por deposición fundida (Fused Deposition Modeling) con PMMA de Novus

Un estudio realizado por Obaeed y Hamdan examinó los parámetros de impresión de modelado por deposición fundida (FDM) al utilizar el PMMA de Ossfila. El estudio observó que reducir la altura de capa durante la impresión en FDM incrementaba significativamente la resistencia a la flexión, una propiedad mecánica fundamental. Esto indica que el espesor de capa es un parámetro clave en FDM, ya que afecta directamente la unión entre capas, la anisotropía y el rendimiento mecánico general del producto. Para manufacturar productos de PMMA impresos en 3D con excelente resistencia a la flexión, los investigadores destacaron la importancia de optimizar el equilibrio entre el espesor de capa, la densidad de relleno y el ángulo de rastreo (raster) de la impresión. 

6. Conclusión

En conclusión, el PMMA surge como un material termoplástico versátil y altamente valorado en el campo médico. Su transparencia, junto con su resistencia excepcional y propiedades de ligereza, lo convierten en un candidato atractivo para diversas aplicaciones quirúrgicas. Además, la condición de PMMA como una opción más económica en comparación con alternativas como el policarbonato (PC) aumenta su accesibilidad y asequibilidad para una población más amplia de pacientes. Actualmente, las principales aplicaciones del PMMA incluyen cranieoplastias y la fabricación de prótesis dentales; sin embargo, su versatilidad ha facilitado su expansión hacia nuevos ámbitos de investigación, como el desarrollo de dispositivos dosimétricos. En consecuencia, los profesionales de la salud valoran mucho el uso de filamentos de PMMA en procesos de impresión 3D, debido a su personalización, durabilidad, biocompatibilidad y facilidad de fabricación. En cuanto a los métodos de esterilización, se recomienda evitar la autoclave, mientras que la esterilización con etileno oxide (EtO) es una técnica común y efectiva. En general, los hallazgos resaltan el potencial del PMMA como un material confiable y eficiente en la impresión 3D y en la fabricación de dispositivos médicos, allanando el camino para avances continuos en tecnología sanitaria y atención al paciente.

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