Desenvolvimento e caracterização de ligas do sistema Ti-10Mo-Zr para aplicações biomédicas

Abstract

O titânio é um dos metais mais utilizados como elemento de fabricação de implantes ortopédicos. Este elemento possui aspectos muito interessantes como excelentes propriedades mecânicas e biológicas, motivo de seu interesse em aplicações biomédicas. O titânio, como elemento puro, possui dimorfismo, ou seja, possui estrutura hexagonal compacta, fase α, estável até 862°C e para temperaturas acima dela, revela estrutura cúbica de corpo centrado, fase β. O molibdênio faz parte de um conjunto de elementos, denominados estabilizadores β. Esses elementos, quando misturados ao titânio, reduzem a temperatura de transição da fase α para β. O zircônio quando inserido na liga aumenta a resistência à corrosão e diminui o ponto de fusão, além de melhorar a biocompatibilidade da liga. Na presença de outro elemento β estabilizador, também ajuda a estabilizar esta fase. As ligas com predominância da fase β são as mais desejáveis para aplicação biomédica, devido à sua maior compatibilidade mecânica com o tecido ósseo. Os tratamentos térmicos visam reduzir a tensão residual da fusão ou deformações em alguns materiais, melhorando sua ductilidade, dureza e resistência à corrosão. As ligas do tipo β são as mais versáteis da classe ligas de titânio, ao oferecerem uma alta relação resistência/densidade, além de boa dureza e resistência a fadiga quando se comparada as ligas α e α+β . A partir disto, O presente estudo visa analisar os efeitos de liga dos elementos Zircônio e Molibdênio em conjunto com o Titânio, caracterizando as ligas ti-10Mo-Zr (30, 40 e 50% em peso) para aplicações como biomaterial. Os biomateriais em geral representam uma grande parcela dos produtos que estão ligados à área da saúde, sendo capaz de modificar o curso de um tratamento. As ligas foram fundidas a arco e submetidas a tratamentos térmicos de homogenização, laminação à quente e tratamento de solução. A divisão das caracterizações deste trabalho pode ser divididas por: caracterizações químicas, estruturais e microestruturais, mecânica e biológica. A estequiometria da liga se manteve dentro dos padrões nominais bem como a densidade. Nas micrografias foram observados grãos característicos da fase β. A dureza Vickers e as medidas do módulo de elasticidade mostraram uma alta dureza e baixo módulo de elasticidade que são uma vantagem sobre a compatibilidade mecânica do tecido/implante, diminuindo o efeito de blindagem óssea. Nos ensaios biológicos, as ligas apresentaram maior adesão que o grupo controle e não foram observados efeitos citotóxicos durante as medições.

Titanium is one of the most used metals as an element in the manufacture of orthopedic implants. This element has very interesting aspects such as excellent mechanical and biological properties, reason for its interest in biomedical applications. Titanium, as a pure element, has dimorphism, that is, it has a compact hexagonal structure, α phase, stable up to 862°C and for temperatures above it, it reveals a body-centered cubic structure, β phase. Molybdenum is part of a set of elements called β stabilizers. These elements, when mixed with titanium, reduce the transition temperature from the α to β phase. Zirconium, when inserted into the alloy, increases corrosion resistance and lowers the melting point, in addition to improving the biocompatibility of the alloy. In the presence of another stabilizing β element, it also helps to stabilize this phase. Alloys with a predominance of the β phase are the most desirable for biomedical applications, due to their greater mechanical compatibility with bone tissue. Heat treatments aim to reduce residual stress from melting or deformations in some materials, improving their ductility, hardness and corrosion resistance. β-type alloys are the most versatile of the titanium alloys class, as they offer a high strength/density ratio, in addition to good hardness and fatigue resistance. From this, the present study aims to analyze the alloy effects of the elements Zirconium and Molybdenum together with Titanium, characterizing the Ti-10Mo-Zr alloys (30, 40 and 50 %wt) for applications as biomaterial. The alloys were arc-melted and subjected to heat treatments of homogenization, hot rolling and solution. The division of the characterizations of this work can be divided by: chemical, structural and microstructural, mechanical and biological characterizations. The stoichiometry of the alloy remained within the nominal standards as well as the density. In the micrographs characteristic grains of the β phase were observed. Vickers hardness and modulus of elasticity measurements showed a high hardness and low modulus of elasticity which are an advantage on tissue/implant mechanical compatibility, decreasing the bone shielding effect. In biological assays, no cytotoxic effects were observed during measurements