Functionalization of the Ti-15Zr-15Mo alloy by Micro-Arc Oxidation

Abstract

A pesquisa e o desenvolvimento de novos biomateriais com aplicação como implantes médicos vêm crescendo consideravelmente, visto que a demanda por tais dispositivos deve aumentar nos próximos anos. O titânio e suas ligas são o foco das pesquisas para o desenvolvimento de biomateriais metálicos, devido às propriedades relativamente mais vantajosas, como: biocompatibilidade, módulo de elasticidade, massa específica, resistência mecânica e resistência à corrosão. De fato, em relação às propriedades do bulk, as ligas de titânio, principalmente aquelas com fase β, apresentam valores menores de módulo de elasticidade, o que reduz o efeito de stress shielding, conhecido por causar possíveis falhas de implantes e, consequentemente, cirurgias de revisão. Além disso, outras propriedades são necessárias para que ocorra a osseointegração de um implante, nomeadamente aquelas relacionadas com as interações que ocorrem com a sua superfície, tais como: a promoção de uma osseointegração rápida, para evitar ou minimizar as possibilidades de colonização por microrganismos que causam infecção; e ter um alta resistência à corrosão e desgaste mecânico. Este trabalho teve como objetivo a utilização de uma liga de titânio do tipo β (Ti-15Zr-15Mo), para desenvolver novos métodos de funcionalização, a fim de atender aos requisitos mencionados acima e desenvolver um novo biomaterial, visando uma aplicação biomédica. Desse modo, a técnica de Micro-arc Oxidation (MAO) foi utilizada para a criação de filmes de óxido de titânio com alta resistência à corrosão e ao desgaste mecânico, e dentro desses filmes, a incorporação de elementos bioativos (Ca, P e Zn), que são conhecidos por contribuir para maior bioatividade e melhor comportamento quanto a corrosão e tribocorrosão.

The research and development of new biomaterials with applicability in medical implants has been growing considerably since the demand for such devices is expected to increase in the coming years. Titanium and its alloys are the focus of the research for the development of metallic biomaterials, due to the relatively more advantageous properties, such as: biocompatibility, elastic modulus, specific mass, mechanical resistance, and corrosion resistance. In fact, regarding their bulk properties, titanium alloys, especially those with β phase, have lower values of elastic modulus, which reduces the effect of stress shielding, known to cause possible implant failure and revision surgeries. Also, other properties are required for an osseo-integrated implant, namely those related to the interactions that occur with its surface, such as: the promotion of rapid osseointegration, to avoid or minimize the possibilities of colonization by microorganisms that cause infection and having a high resistance to corrosion and mechanical wear. This work aimed to use a β-type titanium alloy (Ti-15Zr-15Mo), to develop new methods of functionalization in order to meet the requirements mentioned above for a new biomaterial for a biomedical application. Thus, the Micro-arc Oxidation (MAO) technique was used in order to create titanium oxide films with high resistance to corrosion and mechanical wear, and within these films, the incorporation of bioactive elements (Ca, P and Zn), which are known to contribute to greater bioactivity and better electrochemical and tribocorrosion behavior.