Desenvolvimento de superfícies biomultifuncionais em ligas de alta entropia por oxidação por micro-arco

Abstract

Ligas biomédicas de titânio (Ti) têm sido desenvolvidas para utilização principalmente em implantes ortopédicos e odontológicos, combinando propriedades mecânicas, eletroquímicas e biocompatibilidade mais adequadas que outros biomateriais comerciais, como o aço inoxidável austenítico 316L e as ligas de Co-Cr-Mo. Contudo, as recentes ligas de titânio não eliminam completamente os problemas que ocorrem frequentemente em implantes, como o efeito de blindagem óssea, resistência aos esforços biomecânicos e a toxicidade pela liberação de íons metálicos e partículas de desgaste em longo prazo. Adicionalmente, métodos de modificação de superfície, dentre eles a oxidação por micro-arco (MAO), têm sido amplamente utilizados para acelerar o processo de osseointegração e evitar infecção bacteriana na interface entre o tecido ósseo e implante. Nos últimos anos, ligas com alta entropia, compostos por 5 ou mais elementos em proporção próxima à equimolar, têm sido desenvolvidas para aplicação aeronáutica e estrutural. Estes materiais têm sido reconhecidos pela sua elevada resistência mecânica, ductilidade e resistência à corrosão, o que têm atraído a atenção para utilização na área biomédica. Contudo, as ligas de alta entropia desenvolvidas atualmente não possuem propriedades adequadas para a utilização como biomateriais. Além disso, há ainda pouca compreensão sobre os mecanismos de cristalização e solidificação da solução sólida e da interação de sua superfície com células e tecidos do corpo humano. Este estudo objetivou desenvolver superfícies biomultifuncionais por MAO em novas ligas de alta entropia, compostas por elementos não tóxicos (Ti, Nb, Zr, Mo, Ta, Fe e Mn) em proporção quase equiatômica, formando as ligas TiZrNbTaMo, TiZrNbFeMo e TiZrNbTaMn visando aplicações como implantes biomédicos de baixo módulo de elasticidade. As ligas foram caracterizadas em função da microestrutura, características mecânicas, físico químicas., em De forma geral, os resultados mostraram que após a superfície das ligas serem modificadas por MAO, foi possível de se obter materiais com melhor biocompatibilidade mecânica, biocompatibilidade e propriedades biofuncionais.

Bio Biomedical titanium (Ti) alloys have been developed primarily for use in orthopedic and dental implants, offering mechanical, electrochemical, and biocompatibility properties that are more suitable than other commercial biomaterials, such as 316L austenitic stainless steel and Co-Cr-Mo alloys. However, recent titanium alloys do not completely eliminate common issues in implants, such as stress shielding, resistance to biomechanical stresses, and long-term toxicity caused by the release of metallic ions and wear particles. Additionally, surface modification methods, including micro-arc oxidation (MAO), have been widely used to accelerate the osseointegration process and prevent bacterial infection at the bone-implant interface. In recent years, highentropy alloys (HEAs), composed of five or more elements in near-equimolar proportions, have been developed for aerospace and structural applications. These materials are recognized for their high mechanical strength, ductility, and corrosion resistance, which have attracted attention for potential biomedical applications. However, currently developed high-entropy alloys lack the properties required for use as biomaterials. Furthermore, there is still limited understanding of the crystallization and solidification mechanisms of solid solutions and the interaction of their surfaces with human cells and tissues. This study aimed to develop bio-multifunctional surfaces through MAO on novel high-entropy alloys composed of non-toxic elements (Ti, Nb, Zr, Mo, Ta, Fe, and Mn) in near-equiatomic proportions, forming the TiZrNbTaMo, TiZrNbFeMo, and TiZrNbTaMn alloys for applications as biomedical implants with low elastic modulus. The alloys were characterized in terms of their microstructure, mechanical, and physicochemical properties. Overall, the results demonstrated that after surface modification by MAO, it was possible to obtain materials with improved mechanical biocompatibility, biocompatibility, and biofunctional properties.