Produção de compósitos e realização de tratamentos superficiais para o aprimoramento de propriedades tribológicas e biológicas visando aplicações biomédicas

Abstract

O aumento na expectativa de vida tem contribuído para a crescente demanda de próteses ortopédicas de articulação, como próteses de quadril e de joelho, que tenham maior durabilidade e melhor desempenho. Neste contexto, as ligas de Ti-Nb do tipo β têm despertado amplo interesse devido à combinação de baixo módulo de elasticidade, elevada resistência à corrosão e adequada biocompatibilidade. Contudo, a baixa resistência ao desgaste dos materiais metálicos, em geral, permanece como um problema, pois a degradação do implante pode ser acelerada devido ao esforço de atrito que ocorre em meio corrosivo. Para sanar este problema, o comportamento tribológico de uma liga β de Ti pode ser aprimorado com a incorporação de partículas cerâmicas duras como agente de reforço. Em outras palavras, compósitos de matriz metálica à base de Ti (TMCs) podem ser produzidos via fusão à arco voltaico da liga β de Ti-40Nb junto com pós cerâmicos, como pós de NbC, NbB2 e B4C. Nesta estratégia, reações químicas podem ocorrer durante a fusão e promover a formação de partículas duras de TiC e/ou TiB, sendo assim, conhecida como rota de produção in-situ. A segregação e a porosidade podem ser minimizadas neste tipo de compósito devido às reações in-situ, enquanto elevada estabilidade termodinâmica e forte união interfacial entre matriz e reforço podem ser alcançadas. Estudos anteriores demonstraram que as adições de NbC, de NbB2 e de B4C na liga Ti-40Nb permitiram a produção de TMCs in-situ do tipo β com elevadas resistências à tribocorrosão e baixo módulo de elasticidade. Contudo, a partir destes promissores β-TMCs recentemente desenvolvidos, os objetivos do presente estudo visaram promover o crescimento de filmes óxidos nas superfícies destes compósitos com a realização de tratamento de oxidação por micro arco (MAO). Ao utilizar um eletrólito enriquecido com Mg, P e Ca, buscou-se incorporar esses elementos bioativos nos filmes de óxido para funcionalizar as respostas biológicas. Os resultados da composição química confirmaram a presença bem-sucedida de Mg, P e Ca nas superfícies dos β-TMCs após MAO. Além disso, o reforço de TiC e/ou TiB forneceram suporte aos filmes de MAO para que ambos atuassem em sinergia no endurecimento, sugerindo otimização nos comportamentos tribológicos. Portanto, o presente estudo aplicou o tratamento de MAO em β-TMCs recentemente desenvolvidos como uma abordagem inovadora, alcançando novos atrativos para esses β-TMCs visando a aplicação biomédica.

The increase in life expectancy has contributed to the growing demand for orthopedic joint prostheses, such as hip and knee prostheses, achieving greater durability and better performance. In this context, β-type Ti-Nb alloys have gained wide attention due to the combination of low elastic modulus, high corrosion resistance and suitable biocompatibility. However, the low wear resistance of metallic materials, in general, remains as limitation because the degradation of the implant can be accelerated due to the friction that occurs in corrosive body fluids. To attach this issue, the tribological behavior of a β-type Ti-Nb alloy can be improved by adding hard ceramic particles as reinforcement. In other words, Ti-based metal matrix composites (TMCs) can be produced via arc melting of β Ti-40Nb alloy together with ceramic powders, such as NbC, NbB2 and B4C powders. In this way, chemical reactions can occur during the melting and promote the precipitation of hard TiC particles and/or TiB whiskers, known as the in-situ production route. Segregation and porosity can be minimized in this type of composite due to in-situ reactions, while high thermodynamic stability and strong interfacial bonding between matrix and reinforcement can be achieved. Previous studies demonstrated that the additions of NbC, NbB2 and B4C allowed the production of in-situ β-type TMCs with high tribocorrosion resistance and low elastic modulus. However, based on these promising recently developed β-TMCs, the present study aimed to promote the growth of oxide films on the surfaces by micro arc oxidation (MAO) treatment. By using an electrolyte enriched with Mg, P, and Ca, it was expected to incorporate these bioactive elements into the oxide films to functionalize the biological responses. Results of chemical composition confirmed the successfully presence of Mg, P, and Ca on the surfaces of β-TMCs after MAO. In addition, the TiC and/or TiB reinforcement provided support to the MAO films so that both act in synergy to increase the hardness, hence improving the tribological behaviors. Therefore, the present study applied the MAO treatment in recently developed β-TMCs as an innovative approach, arising new advantages for promising β-TMCs intended for biomedical application.