Desenvolvimento e caracterização de ligas do sistema Ti-10Mo-xMn (0, 2, 4, 6 e 8 %p.) visando aplicações biomédicas

Abstract

Ligas de Ti estão sendo extensivamente estudadas para serem utilizadas como biomaterial. Com o aumento da qualidade de vida, a expectativa de vida vem aumentando, e com isso também a demanda por implantes. Cientistas buscam ligas de Ti do tipo β por apresentarem baixo módulo de elasticidade, o que evita o efeito “stress shielding”, que ocorre quando módulo de elasticidade do osso humano tem valor diferente do implante, causando perda de densidade óssea ao redor do material implantado, resultando no afrouxamento do implante, dor ao paciente e a necessidade de cirurgias de reparação. O Ti tornou-se popular para ser usado como biomaterial devido à sua excelente combinação de resistência mecânica, módulo de elasticidade e biocompatibilidade. O Mo aumenta a resistência mecânica do material e está entre os elementos mais cotados para a formação de ligas do tipo β. O Mn aumenta a resistência à corrosão, diminui o modulo de elasticidade, é um elemento essencial para o corpo humano, apresentando boa biocompatibilidade e apresenta baixo custo comparado com o Mo. Visto as boas propriedades dos elementos, fez-se um sistema ternário para estudo. Neste trabalho, previamente foi realizado estudos teóricos para analisar o design das ligas, de forma a avaliar a estabilidade da fase β. O presente trabalho teve como objetivo preparar ligas do sistema Ti-10Mo-xMn (x = 0, 2, 4, 6, 8 %p), e analisar a influência de alguns tratamentos térmicos e do elemento substitucional na estrutura, microestrutura, algumas propriedades mecânicas, e seu caráter citotóxico. As ligas foram obtidas por fusão à arco-voltaico e submetidas a processamentos termomecânicos, como homogeneização, laminação e recozimento. Posteriormente, foram caracterizadas em termos dos aspectos químico, estrutural, microestrutural, eletroquímico e mecânico, com o propósito de melhor compreender a relação microestrutura e propriedades das ligas. As ligas apresentaram uma estrutura cristalina β metaestável, obtendo as fases β, α e α’’ dependendo da concentração dos elementos de liga e das condições de processamento. Os testes de citotoxicidade preliminar indicaram ausência de efeitos deletérios na viabilidade celular com células osteoblásticas em todas as ligas.

Titanium alloys are being extensively studied for use as a biomaterial. Life expectancy and the demand for implants are increasing with the increase in quality of life. Scientists are looking for β-type titanium alloys because they have a low elastic modulus, which avoids the "stress shielding" effect, which occurs when the elastic modulus of human bone has a different value than the implant, causing loss of bone density around the implanted material, resulting in loosening of the implant, patient pain and the need for repair surgeries. Titanium has become famous for its use as a biomaterial due to its excellent combination of mechanical strength, elastic modulus, and biocompatibility. Molybdenum increases the material's mechanical strength and is among the most popular elements for forming β-type alloys. Manganese increases corrosion resistance, decreases the elastic modulus, is an essential element for the human body, has good biocompatibility, and has a low cost compared to molybdenum. Given the good properties of the elements, a ternary system was made for study. In this study, theoretical studies were previously carried out to analyze the design of the alloys to evaluate the stability of the β phase. The present work aimed to prepare alloys of the Ti-10Mo-xMn system (x = 0, 2, 4, 6, 8 %p) and to analyze the influence of some thermal treatments, and the substitutional element in the structure, microstructure, some mechanical properties, and its cytotoxic nature. The alloys were obtained by arc melting and submitted to thermomechanical processes, such as homogenization, hot-rolling, and annealing. Subsequently, they were characterized in terms of chemical, structural, microstructural, electrochemical, and mechanical aspects, with the aim of better understanding the relationship between microstructure and properties of the alloys. The alloys showed a metastable β crystalline structure, obtaining the β, α and α" phases depending on the concentration of the alloying elements and the processing conditions. Preliminary cytotoxicity tests indicated no harmful effects on cell viability with osteoblastic cells in all alloys.