Desenvolvimento de recobrimentos bioativos, bio-seletivos e resistentes ao desgaste na liga Ti-6Al-4V produzidos por MAO para aplicação como implantes de quadril e joelho

A osteoartrite, agravada pelo envelhecimento e obesidade, tem aumentado a demanda por implantes ortopédicos mais duráveis e funcionais. A liga de titânio Ti-6Al-4V é amplamente utilizada para essas aplicações devido à sua excelente resistência mecânica, à corrosão e à biocompatibilidade. No entanto, o desgaste prolongado pode liberar íons de alumínio (Al) e vanádio (V), que são potencialmente tóxicos para o organismo. Este estudo teve como objetivo melhorar as propriedades da liga Ti-6Al-4V ELI através da aplicação de recobrimentos bioativos obtidos por Oxidação por Micro-Arco (Micro-Arc Oxidation – MAO), visando otimizar sua resistência ao desgaste e suas propriedades biológicas para implantes ortopédicos, como de Substituição Total de Quadril – Total Hip Replacement (THR) e Substituição Total de Joelho – Total Knee Replacement (TKR). Os recobrimentos foram obtidos utilizando eletrólitos contendo cálcio (Ca), fósforo (P) e óxidos de metais de transição (OMTs), como dióxido de titânio (TiO₂), óxido de alumínio (Al₂O₃), trióxido de molibdênio (MoO₃), óxido de ferro (Fe₂O₃) e dióxido de manganês (MnO₂), variando suas concentrações. As amostras foram tratadas sob uma tensão de 300 volts por 90 segundos e caracterizadas por várias técnicas analíticas, incluindo Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios X (EDS), Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), Espectroscopia Raman, Espectroscopia de Fotoelétrons por Raios X (XPS), Difração de Raios- X (DRX), Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET), perfilometria e ensaios de microdureza Vickers. Os resultados indicaram que a adição dos OMTs influenciou positivamente a porosidade, a rugosidade e a composição química dos recobrimentos, promovendo melhorias na resistência ao desgaste e ação antimicrobiana contra diversos microrganismos, sem comprometer a viabilidade celular. A presença de TiO₂ e Ca e P nas camadas externas dos recobrimentos foi determinante para a biocompatibilidade, apresentando resultados satisfatórios em testes biológicos preliminares . Além disso, a estrutura porosa e a tendência hidrofílica dos recobrimentos contribuíram para uma interação mais eficiente com o meio biológico. Esses recobrimentos bioativos, enriquecidos com OMTs, mostraram-se promissores para aplicações em implantes ortopédicos, uma vez que combinaram a resistência ao desgaste com propriedades antimicrobianas e boa biocompatibilidade em relação ao substrato. A modificação estrutural e química proporcionada pela técnica MAO, especialmente com a adição de OMTs, pode oferecer uma alternativa eficaz para o desenvolvimento de implantes ortopédicos mais duráveis e funcionais, com o potencial de reduzir complicações pós-cirúrgicas e melhorar a longevidade dos dispositivos.

Resumo (inglês)

Osteoarthritis, exacerbated by aging and obesity, has increased the demand for more durable and functional orthopedic implants. The Ti-6Al-4V titanium alloy is widely used for these applications due to its excellent mechanical strength, corrosion resistance, and biocompatibility. However, prolonged wear can release aluminum (Al) and vanadium (V) ions, which are potentially toxic to the body. This study aimed to enhance the properties of Ti-6Al-4V ELI alloy by applying bioactive coatings obtained through Micro-Arc Oxidation (MAO), thereby optimizing wear resistance and biological properties for orthopedic implants, such as Total Hip Replacement (THR) and Total Knee Replacement (TKR). The coatings were developed using electrolytes containing calcium (Ca), phosphorus (P), and transition metal oxides (TMOs), including titanium dioxide (TiO₂), aluminum oxide (Al₂O₃), molybdenum trioxide (MoO₃), iron oxide (Fe₂O₃), and manganese dioxide (MnO₂), with varying concentrations. The samples were treated at 300 volts for 90 seconds and characterized using multiple analytical techniques, including Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Raman Spectroscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), X-ray Diffraction (XRD), Transmission Electron Microscopy (TEM), profilometry, and Vickers microhardness testing. The results indicated that the addition of TMOs positively influenced the porosity, roughness, and chemical composition of the coatings, leading to improved wear resistance and antimicrobial activity against various microorganisms without compromising cell viability. The presence of TiO₂, Ca, and P in the outer layers of the coatings was crucial for biocompatibility, yielding satisfactory outcomes in preliminary biological tests. Additionally, the porous structure and hydrophilic tendency of the coatings contributed to more effective interaction with the biological environment. These bioactive coatings, enriched with TMOs, proved promising for orthopedic implant applications by combining enhanced wear resistance with antimicrobial properties and superior biocompatibility compared to the substrate. The structural and chemical modifications achieved through the MAO technique, particularly with the addition of TMOs, present an effective alternative for developing more durable and functional orthopedic implants, with the potential to reduce post-surgical complications and improve implant longevity.

Palavras-chave

Materiais biomédicos, Revestimentos, Óxidos metálicos de transição, Biomedical materials, Coatings, Transition metal oxides

Idioma

Português

Citação

COAN, Karine Stefany. Desenvolvimento de recobrimentos bioativos, bio-seletivos e resistentes ao desgaste na liga Ti-6Al-4V produzidos por MAO para aplicação como implantes de quadril e joelho. 2025. 60 p. Dissertação (Mestrado em Ciência e Tecnologia de Materiais) – Instituto de Ciência e Tecnologia, Universidade Estadual Paulista, Sorocaba, 2025.