Desenvolvimento de uma liga de alta entropia de baixo custo para potencial aplicação como dispositivos de fixação óssea

Abstract

O desenvolvimento de biomateriais metálicos avançados é fundamental para atender às crescentes demandas da medicina moderna, especialmente em aplicações ortopédicas. Nesse contexto, as ligas de alta entropia (High Entropy Alloys HEAs) emergem como uma estratégia inovadora para o desenvolvimento de ligas multicomponentes, oferecendo elevada flexibilidade composicional e combinações promissoras de propriedades. Entretanto, a maioria das HEAs biomédicas (Bio-HEAs) utiliza elementos refratários, o que eleva os custos de processamento. Diante desse cenário, esta tese propõe o desenvolvimento de novas Bio-HEAs de baixo custo baseadas no sistema TiZrNb, por meio da incorporação de elementos não refratários, como Fe, Mn e Al, aliada à modificação superficial por oxidação por arco (Micro-Arc OxidationMAO), visando à obtenção de biomateriais metálicos com superfícies bioativas para dispositivos de fixação óssea. As ligas desenvolvidas apresentaram estrutura cristalina predominantemente cúbica de corpo centrado (CCC) rica em Ti e Nb, precipitação da fase Laves C14 rica em Zr, Fe, Mn e Al, morfologia dendrítica, combinação favorável entre microdureza Vickers (~420 HV) e módulo de elasticidade (~90 100 GPa) e ausência de citotoxicidade nos ensaios preliminares in vitro. A análise integrada das propriedades permitiu selecionar a composição Ti-21,9Zr-20Nb-6Fe-6,1Mn-3,7Al (at.%) para o tratamento por MAO. A influência dotempode tratamento (1 a 9 min) sobre o crescimento do revestimento foi avaliada utilizando umeletrólito bioativo contendo Ca, P e Mg. O aumento do tempo de tratamento promoveu a formação de camadas de óxido ligeiramente mais espessas e homogêneas, com incorporação de espécies bioativas, aumento da rugosidade superficial e melhor estabilidade eletroquímica,além de manter função protetora durante os ensaios de tribocorrosão. Assim, a combinação entre a otimização composicional das Bio-HEAs e a modificação de superfície por MAO resultou em um biomaterial metálico de menor custo, com elevada resistência à degradação e potencial de aplicação em dispositivos ortopédicos para fixação óssea.

The development of advanced metallic biomaterials is essential to meet the growing demands of modern medicine, particularly in orthopedic applications. In this context, High Entropy Alloys (HEAs) have emerged as an innovative strategy for the development of multicomponent alloys, offering high compositional flexibility and promising combinations of properties. However, most biomedical HEAs (Bio-HEAs) rely on refractory elements, resulting in higher processing costs. In this context, this thesis proposes the development of new low-cost Bio-HEAs based on the TiZrNb system through the incorporation of non-refractory elements, such as Fe, Mn, and Al, combined with surface modification by Micro-Arc Oxidation (MAO), aiming to obtain metallic biomaterials with bioactive surfaces for bone fixation devices. The developed alloys exhibited a predominantly TiNb-rich body-centered cubic (BCC) crystal structure, secondary precipitation of the ZrFeMnAl-rich C14 Laves phase, dendritic morphology, a favorable combination of Vickers microhardness (~420 HV) and elastic modulus (~90–100 GPa), and no cytotoxicity in preliminary in vitro assays. An integrated analysis of the obtained properties identified the Ti-21.9Zr-20Nb-6Fe-6.1Mn-3.7Al (at.%) alloy as the most promising composition for MAO treatment. The influence of treatment time (1–9 min) on coating growth was investigated using a bioactive electrolyte containing Ca, P, and Mg. Increasing the treatment time promoted the formation of slightly thicker and more homogeneous oxide coatings, enhanced the incorporation of bioactive species, increased surface roughness, improved electrochemical stability, and maintained the protective function of the coating during tribocorrosion tests. Overall, the combination of compositional optimization of Bio-HEAs and surface modification by MAO resulted in a low-cost metallic biomaterial with enhanced degradation resistance and strong potential for application in orthopedic bone fixation devices.