1. INTRODUCCIÓN
Dada la emergencia sanitaria debida a la reciente aparición del COVID-19, la escasez de equipos de protección personal pone en peligro al sector sanitario en todo el mundo.
Los casos de pacientes infectados con el virus son tratados directamente por los médicos, enfermeras y demás asistenciales, que deben usar un equipo de protección personal (EPP), el cual consta, como mínimo, de una máscara quirúrgica resistente a los fluidos, de un delantal desechable de un solo uso, guantes y protección para los ojos si se anticipa la contaminación de sangre y líquidos corporales [1], [2]. Como muchos de estos implementos son desechables se agrava el problema del abastecimiento del EPP, el cual puede ser diseñado y fabricado para ser reutilizado bajo procesos estrictos de esterilización.
Asimismo, la Organización Mundial de la Salud (OMS) ha advertido que la grave y creciente interrupción del suministro mundial de EPP -causada por el aumento en la demanda y por las compras, el acaparamiento y el uso indebido de esos productos como consecuencia del pánico- está poniendo vidas en peligro. Según los modelos realizados por la OMS, se calcula que la industria debería aumentar la producción en un 40 % para satisfacer la creciente demanda mundial [3], [4].
Esta problemática se convierte en una oportunidad para las tecnologías de la industria 4.0, compuesto que la impresión en 3D permite crear dispositivos médicos que ayuden en los procesos de salud [5].
Sin embargo, al ser una tecnología inicialmente concebida para el prototipado de productos [6], [7], [8] requiere de un minucioso análisis, en cuanto a parámetros de diseño y fabricación para que pueda ser optimizada en la producción en serie. Por ello, en el presente artículo se plantean las consideraciones para la impresión en 3D de Pantallas de Protección Facial (MPP), como producto final, aportando así a la reducción de los contagios de profesionales de la salud que puedan atender la emergencia sanitaria.
2. DESCRIPCIÓN DE LA TECNOLOGÍA
Las pantallas de protección facial consisten en una lámina de cloruro de vinilo polimerizable transparente (PVC) cortada a láser, unida a una diadema prototipada en ácido poliláctico (PLA) de impresión en 3D y un elástico que permite el ajuste y sujeción a la cabeza[9]. La sección critica del diseño es la diadema, por su método de manufactura y el contacto directo con la cresta supraorbitaria del usuario. Por ello, para la producción de las diademas se consideraron varios factores:
2.1 Diseño (CAD)
Los parámetros antropométricos determinan las dimensiones de la diadema y los diámetros y perímetros de la cabeza de la población objetiva. No obstante, habría que considerar que algunos potenciales usuarios en el ámbito clínico requieren utilizar gafas y tapabocas junto con el dispositivo, lo cual hace necesario analizar dos diámetros; uno interno, que asegure el ajuste a la cabeza y otro externo, que inmoviliza y delimita una lámina de PVC distanciada del rostro y que asegura el ajuste dimensional del dispositivo. Dimensiones adicionales sugeridas son la altura de la diadema, que debe ser cómoda en la frente y dar firmeza a la lámina de PVC; el grosor, que determina el desempeño y calidad del dispositivo frente a impactos, pero a la vez influencia el peso de la diadema y, por ende, la comodidad de la misma.
La forma de sujeción de la lámina de PVC y del elástico de ajuste son otros factores determinantes en el diseño, puesto que influyen en el desempeño del dispositivo durante tiempos prolongados y la facilidad de ensamble para limpieza y desinfección.
Es crítico el ajuste de la lámina de PVC para evitar que se desprenda de la diadema durante su uso, además del perímetro que abarca, pues de ello depende el área de protección facial para tener más seguridad en ambientes expuestos al virus, cubriendo por completo del rostro sin perturbar la visualización.
Por último, se hace necesario garantizar la trazabilidad y control sobre los dispositivos, pues se está hablando de su utilización en ambiente clínico. Este seguimiento se logra con la incorporación de alguna marca visible en cada versión del modelo fabricado que permita identificarlo.
2.2 Manufactura (CAE)
La tecnología al alcance es la impresión en 3D, que permite el prototipado de diseños, la cual no se utiliza normalmente para producción en masa porque los tiempos de fabricación no son eficientes.
Sin embargo, por la contingencia sanitaria se ha estado utilizando de esta manera, porque hay gran cantidad de impresoras disponibles, lo cual crea un desafío de encontrar las configuraciones óptimas de impresión y laminado para reducir tiempo de manufactura sin sacrificar las propiedades mecánicas. Estas configuraciones incluyen: altura de capa, ancho de línea, grosor de la pared, densidad de relleno y velocidad de impresión.
El objetivo es optimizar el tiempo de impresión por diadema encontrando la correcta combinación de todas ellas y probar, mediante análisis por elementos finitos, que esas configuraciones no disminuyen las propiedades mecánicas y de calidad de la diadema.
2.3 Uso en ambientes clínicos
Al tratarse de un ambiente clínico, la desinfección es un tema primordial y no solo deben considerarse los protocolos virucidas para el SARS-CoV-2, sino también para todos los otros agentes biológicos que puedan estar presentes en los hospitales, clínicas o cualquier entidad prestadora de salud y, aún más, si se pretende reutilizar las máscaras de protección facial, pues de lo contrario se estaría generando una gran cantidad de desechos, que no es lo recomendado y, mucho menos, en el marco de la actual contingencia sanitaria.
Por ello deben considerarse diseños, materiales y formas de fabricación que faciliten la desinfección con procedimientos y reactivos al alcance de las unidades de desinfección de las entidades de salud.
3. RESULTADOS
Teniendo en cuenta los aspectos descritos anteriormente, y luego de validaciones por parte de un equipo interdisciplinar de profesionales y entidades afines, se concibe el siguiente diseño con sus respectivos parámetros de fabricación y protocolos de desinfección.
3.1 Diseño (CAD)
El diseño definitivo consiste en dos láminas curvadas, unidas entre sí, pero con diámetros diferentes, uno para garantizar el ajuste por medio del elástico a la cabeza y el otro para ajustar la lámina de PVC con bastante diferencia entre ellas para que el uso de accesorios en la cara, como tapabocas o gafas, no interfiera con el desempeño del dispositivo y, a la vez, garantizando mejores propiedades mecánicas (ver Fig. 1A). Adicionalmente, cuenta con unos pines alrededor de todo el perímetro para garantizar la cobertura total del rostro y una visión panorámica.
Estos pines, en la parte final, poseen una esfera de mayor diámetro que el cilindro del cuerpo para garantizar que la lámina de acetato no se salga una vez que se instale (ver Fig. 1B).
También posee unos agujeros en la parte final que permiten asegurar el elástico de forma correcta (ver Fig. 1C).
Se incluyó una marca en el frente de la diadema para mantener la trazabilidad.
3.2 Manufactura (CAM) y Análisis (CAE)
Los parámetros óptimos para la impresión en 3D de este modelo fueron concebidos para el uso de una boquilla de 0.4mm. Así, la altura de capa se ubicó en 0.3 mm, que es el máximo para esta boquilla, pues la recomendación de los fabricantes es tener como máximo una altura de capa que sea equivalente al 75 % del diámetro de la boquilla [10].
Al incrementar el ancho de las paredes y de las líneas, se puede trabajar con una densidad de relleno del 0 %, reduciendo en gran parte el tiempo de impresión.
Por último, se aumentó al doble la velocidad de impresión. Esta modificación es la más significativa para mejorar la eficiencia de impresión, puesto que es una impresión en donde los recorridos son continuos y no requieren saltos, asegurando una extrusión continua de material.
Las demás configuraciones se detallan en la Fig. 2 para un total aproximado de 1h de impresión, en distintas impresoras con características similares. La mayor parte de esa hora es empleada en la deposición del material en las paredes exteriores (aprox. 22 minutos).
Al implementar una densidad de relleno de 0 % se tenía que verificar por simulación el desempeño mecánico de estas configuraciones. En consecuencia, se hizo un análisis por elementos finitos, utilizando una malla sólida de elementos cuadráticos de alto orden, basada en curvatura con un tamaño mínimo de elemento de 4.4 mm, con las propiedades del PLA, con un límite elástico igual a 30 N/mm2, un coeficiente de Poisson de 0.394 y una densidad de 1.02 g/cm3, aplicándole una carga de 20N para el primer caso de esfuerzos frontales y de 2.2 N para desplazamientos internos. En estos análisis se encontró que, al ser hueca, la diadema mostraba mayor flexibilidad frente a esfuerzos frontales y desplazamientos laterales, resaltando el papel de la marca en el frente para mejorar su desempeño (ver Fig. 3).
3.3 Uso en ambientes clínicos
Las diademas fueron sometidas a tres procedimientos: autoclave de vapor, donde se programó una esterilización por 15 min a 121 °C., allí se incluyó un bioindicador y de esta manera se comprobó el ciclo de esterilización, el cual fue satisfactorio, aunque el material perdió sus propiedades, quedando cristalizado y expuesto a la fractura; también se utilizó la inmersión en 1 % o 2 % de glutaraldehído, durante 7 minutos, lo que resultó en un proceso satisfactorio sin alteraciones en la composición del material; lo mismo ocurrió con la inmersión en alcohol al 70 % durante 7 minutos. Esta última también fue usada en la pantalla de PVC, pues conservaba su propiedad de visibilidad, lo que no ocurrió con el glutaraldehído.
3.4 Otras consideraciones
Diferentes análisis se han hecho enfocados a evaluar la visibilidad de las pantallas de PVC o de la comodidad para realizar diferentes procedimientos utilizando dispositivos similares [9], [11], pero este se enfoca más en la utilización y optimización de la tecnología de impresión en 3D para suplir la demanda de EPP.
Todas las validaciones en este estudio y análisis hacen de estas recomendaciones las más adecuadas al considerar la impresión en 3D de diademas para pantallas de protección facial como la primera tecnología disponible en medio de la contingencia sanitaria. Sin embargo, una vez establecida una geometría definitiva, la opción más viable para manufactura en serie es la concepción de un molde para fabricación por inyección de las diademas, que no emplea tanto tiempo y tiene similares características, al ser igualmente métodos de conformado de polímeros.
4. CONCLUSIONES
Dada la necesidad de elementos de protección y la disponibilidad inmediata de tecnologías de manufactura, como la impresión en 3D, se han realizado muchos diseños alrededor del mundo tratando de suplir dicha necesidad. Muchos de estos modelos no son producidos con las configuraciones apropiadas, generando mayores tiempos de impresión y, por ende, amplios plazos de entrega de los dispositivos. Por ello, se hacen necesarias diferentes verificaciones y análisis que, como los mostrados en el presente artículo, permitan optimizar este proceso, en el cual se obtuvo una reducción de 5 veces el tiempo inicial concebido para la impresión.