Caracterização mecânica, eletroquímica e biológica de ligas de alta entropia para uso como próteses externas e dispositivos médicos

Abstract

Este trabalho investigou as propriedades mecânicas, eletroquímicas, tribocorrosivas e biológicas de ligas metálicas de alta entropia (HEAs), visando potencial como biomateriais metálicos e dispositivos médicos. Foram estudadas quatro composições: duas ligas à base de elementos de transição 3d (CoCrFeMnNi e FeCoCrMnNi) e duas ligas refratárias (TiNbTaZrMo e TaNbHfZrTi). As amostras foram avaliadas em duas condições: brutas de solidificação e termicamente tratadas por homogeneização, com o objetivo de reduzir microsegregações e aliviar tensões internas. Foram realizadas análises microestruturais, ensaios de microdureza Vickers, ensaios eletroquímicos de corrosão em solução de Hanks e ensaios biológicos de viabilidade (MTT) e de adesão celular (cristal violeta). As ligas refratárias TiNbTaZrMo e TaNbHfZrTi apresentaram microestrutura dendrítica bifásica e os maiores valores de dureza, associados à presença de fases CCC ricas em elementos refratários. As ligas Fe/Co-base exibiram microestruturas com certa microsegregação e dureza inferior, compatíveis com sua estrutura CFC mais dúctil. O tratamento térmico promoveu uma discreta redução da dureza em todas as ligas, coerente com a homogeneização e o alívio de tensões, sem comprometer o nível de resistência das ligas refratárias. Nos ensaios de corrosão em solução de Hanks, as ligas Ti-base mostraram maior resistência à corrosão, com repassivação mais eficiente e maior impedância, enquanto as ligas Fe/Co-base apresentaram menores coeficientes de atrito e menor perda de material em tribocorrosão, indicando maior resistência ao desgaste mecânico. Todos os materiais apresentaram comportamento biocompatível, com viabilidade celular superior a 80% em relação ao controle e adesão celular homogênea, destacando-se as ligas contendo titânio. Assim, as ligas refratárias apresentam possível potencial para implantes de longa permanência, ao passo que as ligas Fe/Co-base são candidatas a próteses temporárias ou componentes externos, em que predominam solicitações mecânicas. Os resultados contribuem para o desenvolvimento de novos biomateriais metálicos resistentes à corrosão e ao desgaste, com boa biocompatibilidade.

This work investigated the mechanical, electrochemical, tribocorrosion, and biological properties of high-entropy metallic alloys (HEAs), aiming at their potential as metallic biomaterials and medical devices. Four compositions were studied: two based on 3d transition elements (CoCrFeMnNi and FeCoCrMnNi) and two refractory alloys (TiNbTaZrMo and TaNbHfZrTi). The samples were evaluated in two conditions: ascast and thermally homogenized, with the objective of reducing microsegregations and relieving internal stresses. Microstructural analyses, Vickers microhardness tests, electrochemical corrosion tests in Hanks’ solution, tribocorrosion tests, and biological assays of cell viability (MTT) and cell adhesion (crystal violet) were performed. The refractory alloys TiNbTaZrMo and TaNbHfZrTi exhibited a biphasic dendritic microstructure and the highest hardness values, associated with the presence of bodycentered cubic (BCC) phases rich in refractory elements. The Fe/Co-based alloys displayed microstructures with some microsegregation and lower hardness, consistent with their more ductile face-centered cubic (FCC) structure. Thermal treatment produced a slight reduction in hardness in all alloys, consistent with homogenization and stress relief, without compromising the strength level of the refractory alloys. In the corrosion tests in Hanks’ solution, the Ti-based alloys showed higher corrosion resistance, with more efficient repassivation and greater impedance, whereas the Fe/Co-based alloys exhibited lower friction coefficients and reduced material loss in tribocorrosion, indicating greater resistance to mechanical wear. All materials exhibited biocompatible behavior, with cell viability greater than 80% relative to the control and homogeneous cell adhesion, with a notable performance for the titanium-containing alloys. Thus, the refractory alloys appear promising for longterm implants, whereas the Fe/Co-based alloys are candidates for temporary prostheses or external components where mechanical demands predominate. The results contribute to the development of new metallic biomaterials resistant to corrosion and wear, with good biocompatibility.