03. biomateriais metálicos

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Cincia dos Materiais Biocompatveis (2Quadri 2014)

Centro de Engenharia, Modelagem e Cincias

Sociais Aplicadas

CECS

Biomateriais Metlicos

Propriedades

do

material

Interao do

material com o

sistema

biolgico

Projeto e

Processo de

manufatura

As propriedades estruturais e superficiais

dos biomateriais utilizados para implantes

influenciam diretamente o desempenho funcional

do implante.

Importantes variveis a serem controladas para

melhor resposta biolgica.

Rugosidade, Molhabilidade, Composio qumica, Cargas eltricas, Cristalinidade e Heterogeneidades

Para aplicaes biomdicas, as propriedades

mais importantes: resistncia mecnica e

reatividade qumica.

a 28% Cr, 2% Ni, 7% Mo, 0.3% C (max), Co balance.

b Stainless steel, 18% Cr, 14% Ni, 2 to 4% Mo, 0.03 C (max), Fe balance.

c Values in parentheses are for the cold-worked state.

d High density polyethylene (HDPE) and ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE)

eStrongly viscoelastic.

Propriedades

do

material

Interao do

material com o

sistema

biolgico

Projeto e

Processo de

manufatura

MATERIAIS METLICOS

Combinao de elementos metlicos.

Estrutura cristalina.

Bons condutores de calor e eletricidade: nuvem de eletrns.

No so transparentes luz visvel.

Tm aparncia lustrosa quando polidos.

Alta resistncia, dureza, ductilidade e maleabilidade.

Ponto de fuso definido.

So muito utilizados para aplicaes estruturais.

Propriedades

do

material

Interao do

material com o

sistema

biolgico

Projeto e

Processo de

manufatura

Propriedades desejveis

Compatibilidade

Facilidade de fuso

Pouca contrao de solidificao

Mnima reatividade com o material de revestimento

Boa resistncia ao desgaste, fadiga e corroso

Alta tenacidade fratura

Ligas Metlicas

Propriedades X Microestrutura x Processamento Caractersticas qumicas e cristalogrficas das fases

Distribuio, quantidade e orientao das fases

Impacto das fases nas propriedades.

Propriedades

do

material

Interao do

material com o

sistema

biolgico

Projeto e

Processo de

manufatura

Substituio e reparao de ossos

Placas metlicas para fraturas, parafusos e grampos

Implantes dentrios, enchimento e pinos

Partes de outros dispositivos Coraes artificiais bombas, marca-passos, cateteres, stents.

APLICAES Propriedades

do

material

Interao do

material com o

sistema

biolgico

Projeto e

Processo de

manufatura

Implantes temporrios

Resistentes ao ataque corrosivo por fludos fisiolgicos

Resistentes a fadiga durante a vida til desejada

No devem promover trauma sangneo, coagulao ou desnaturao de protenas

No devem alterar a composio qumica dos fluidos ou dos tecidos

No devem interferir com os mecanismos normais de defesa

No devem gerar respostas carcinognicas

No devem sofrer fratura catastrfica a resultado da fragilidade ou longo uso, ou fluncia

Conformabilidade em qualquer formato requerido

Implantes permanentes

Ortopedia

Propriedades

do

material

Interao do

material com o

sistema

biolgico

Projeto e

Processo de

manufatura

HASTE INTRAMEDULAR

Indicada para reduo, alinhamento, estabilizao, e fixao de diversos tipos de fratura do fmur, da regio

supracondilar do fmur ou da tbia;

Concebida para auxiliar a regenerao ssea e no para substituir as estruturas normais do esqueleto humano;

Materiais: Titnio liga Ti6Al4V ELI ASTM F136 ou ISO 5838-3 Ao inoxidvel Austentico ASTM F138 ou ISO 58321;

Propriedades

do

material

Interao do

material com o

sistema

biolgico

Projeto e

Processo de

manufatura

ESPAADOR INTERVERTEBRAL (CAGE)

- Dispositivo implantvel usado para restaurar o alinhamento correto da coluna,

restaurar a altura em caso de desgaste de discos intervertebrais e auxiliar na

absoro de impactos pela coluna.

- Implantado na regio entre duas vrtebras da coluna, em substituio a um

disco intervertebral original.

- Apresenta superfcie dotada de orifcios para posterior aplicao de enxerto

sseo.

ORTOPEDIA

ORTOPEDIA

PROTESE DE QUADRIL

~20 anos vida media til (30% de falha) Ligas de Ti ou CoCr na haste femural,

acetbulo de polmero (UHMWPE),

cabea metlica ou cermica (alumina ou zirconia)

ORTOPEDIA

Joelho:

maior chance de falha,

Ligas de Ti ou CoCr na parte femural,

UHMWPE na parte tibial

Tornozelo:

curta durao,

tibial, talar e fibular,

tipicamente CoCr e PEUAPM

Ombro, cotovelo:

falha comum devido a movimentos rotacionais

Outras:

dedos, espinha (compsitos c/ polmeros)

Prteses Articulares -Tipos

ORTOPEDIA

Prtese de ombro

Falha comum devido a movimentos rotacionais

ORTOPEDIA

ODONTOLOGIA

Cirurgia ortogntica

CRANIOPLASTIA

CARDIOVASCULAR

Colocao de stents

http://www.youtube.com/watch?v=77fPzbExkxA

Vantagens dos metais como biomateriais

Elevados valores de resistncia mecnica (capacidade para

sustentao de cargas)

Confeco de peas em diferentes formatos

Desvantagens dos metais como biomateriais

Os valores de E so muito superiores aos do osso, no

permitindo as vezes que o osso fixado receba estmulo

mecnico

Sofrem corroso

FACA ENTERRADA NA CABEA POR 4 ANOS

http://www.pattayadailynews.com/en/2011/02/18/knife-buried-in-head-for-4-years/

CORROSO

PRINCIPAIS METAIS UTILIZADOS NA MEDICINA

Ligas Metlicas Implantes Cirrgicos

Referncia ASTM

Ao Inoxidvel 316 e 316L

F138-86, F139-86, F745-81 (1988),

F666-80, e F642-79 (1984)

Titnio puro

F67-89

Liga de Co-Cr-Mo

F75-87 e F799-87

Liga de Co-Cr-W-Ni F90-87, F643-79 (1984) e F644-79

(1984)

Liga de Ti-6Al-4V

F136-84, F620-87 e F1108-88

Tntalo puro

F560-86

Liga de Co-Ni-Cr-Mo

F562-84, F688-88 e F961-85

Liga de Co-Ni-Cr-Mo-W forjada

F563-88

Cada etapa deste processo pode influenciar na performance biolgica e

mecnica do material, devido s propriedades da superfcie do dispositivo

mdico.

Processamento: da minerao comercializao

Minerao: beneficiamento fsico, concentrao do minrio,

extrao qumica, processos de reduo do minrio, refino metal

puro e direcionamento para composio de ligas

Kroll Process for titanium

2Mg + TiCl4 2MgCl2 + Ti

Tratamento do material bruto por meio de T.T., fundio, produo

de p, laminao para obteno de vrias formas slidas.



mdico.


Produo do metal para estocagem em formas especficas de acordo com a

finalidade e o uso final.

Testes seguindo normas (ISO, ASTM) quanto composio qumica e

caractersticas estruturais e mecnicas.



mdico.


Fabricao forma bsica: forma e tamanho do implante,

caractersticas do metal, custo de fabricao.



mdico.


Ligas de Co: difceis de usinar por mtodos convencionais

tcnicas especiais de fundio ou metalurgia do p

Ligas de Ti: difceis de fundir

frequentemente usinveis (mesmo com dificuldade).

Forjamento: trabalho mecnico ou deformao de uma nica pea,

pela aplicao de sucessivos insuflamentos ou compresses

contnuas.

ENCRUAMENTO

Forjamento a frio

Resistncia mecnica

Ductilidade

CONFORMAO MECNICA

Temperatura de recristalizao A menor temperatura, na qual uma estrutura deformada, restaurada ou substituda por uma estrutura nova, livre de tenses,

permanecendo por um tempo determinado.

CONFORMAO MECNICA Alterao da geometria do material por meio de foras aplicadas por ferramentas

adequadas (pequenas matrizes at grandes cilindros).

Trabalho a Frio

Caractersticas: Conformao do material pela aplicao de presso ou choque;

Objetivo: obteno do metal na forma desejada e melhoria de suas propriedades mecnicas;

Processos: laminao, trefilao, forjamento, extruso;

Ex. aplicao: perfis estruturais, chapas, fios, cabos, etc.

Aumenta a dureza e a resistncia dos materiais, mas a ductilidade diminui;

Permite a obteno de dimenses dentro de tolerncias estreitas;

Produz melhor acabamento superficial;

Ocorre o encruamento do material.

Expressa-se o grau de deformao plstica com um percentual de trabalho a frio;

O percentual de trabalho a frio (%TF) definido como:

Onde, Ao: rea original da seco reta;

Af: rea final, aps deformao;

%TF = Ao-Af x 100

Ao

Ao Af

Trabalho a Frio

Ao Af

Seco retangular Seco circular

Vantagens:

Melhor controle dimensional;

Melhor acabamento superficial;

Aumento da resistncia mecnica e dureza do material;

Desvantagens:

Maior energia para deformar;

Menor deformao;

O material aps a conformao apresenta elevado estado de tenses (< ductilidade);

Exige ferramental que suportem maiores tenses.

Trabalho a Frio

Encruamento ou endurecimento pela deformao a frio:

o fenmeno no qual um material endurece devido deformao plstica (realizado pelo trabalho a frio)

Esse endurecimento d-se devido ao aumento de discordncias e imperfeies promovidas pela deformao, que impedem o escorregamento dos planos atmicos

A medida que se aumenta o encruamento maior a fora necessria para produzir uma maior deformao

O encruamento pode ser

removido por tratamento

trmico (recristalizao)

Encruamento

Os fenmenos de aumento de dureza, causado pela

deformao, e o amolecimento, devido ao

recozimento, ocorrem simultaneamente temperatura acima da recristalizao.

Trabalho a Quente

Caractersticas:

A energia para deformar menor;

O metal adquiri maior capacidade de deformar-se sem fissurao;

Algumas heterogeneidades das peas (ou lingotes) como porosidades, bolhas, so praticamente eliminadas;

A estrutura granular, grosseira de peas fundidas, rompida e transformada em gros menores;

Alguns metais dificilmente so deformados a frio sem fissurar; exemplos: tungstnio, molibdnio e outros;

Ocorre o recozimento: crescimento gros.

Trabalho a Quente

Vantagens:

Permite emprego de menor esforo mecnico para a mesma deformao (mquinas de menor capacidade comparado com o trabalho a frio);

Promove o refinamento da estrutura do material, melhorando a tenacidade;

Elimina porosidades;

Deforma profundamente devido a recristalizao.

Desvantagens:

Exige ferramental resistente ao calor (> custo);

O material sofre maior oxidao, formando casca de xidos;

No permite a obteno de dimenses dentro de tolerncias estreitas.

Trabalho a Quente

Usinagem: geometria desejada obtida por remoo do excesso de

material atravs de ferramentas de corte. TENSO RESIDUAL E CANTOS

VIVOS.

Trefilao: reduo na rea de seo reta com correpondente aumento

no comprimento mediante estiramento da pea metlica em matriz com

orifcio cnico.

ENCRUAMENTO

LIGAS DE TI

1) Forjamento 900 C

5) Forjamento 6) Aba para usinagem

7) Usinagem final

2) Remoo de rebarba 3) Hot rolling (laminao) 4) ngulo CCD

Ti6Al17Nb (ISO 5832-17)

Tcnica da cera perdida

Fundio: (1) Forma acabada no possvel por outros mtodos,

(2) Conformao da liga (quente/frio) no possvel,

(3) Processo mais econmico.

Fundio de preciso: empregada quando so

necessrios elevada preciso adimensional,

reproduo de pequenos detalhes e excelente

acabamento

metal totalmente fundido derramado no interior da cavidade de um molde que possui forma desejada.

Fundio:

METALURGIA DO P

Obteno do p metlico

Prensagem ou compactao

Sinterizao

Acabamento

Produo de peas em dimenses finais (Near-net shape)

Minimiza perdas de matria-prima

Permite uso de ligas variadas

Metalurgia do p: compactao de ps de metal, seguida

por sinterizao para obteno de peas mais densas.

(1) Metais com baixa ductilidade,

(2) Metais com altas temperaturas de fuso,

(3) Peas com tolerncias dimensionais restritas.

CARACTERSTICAS DO P METLICO E SUA INFLUNCIA

A tcnica utiliza um modelo base de estrutura pr-formada.

Um modelo 3D assistido por computador avaliado por camadas de espessura constante para fornecer

informaes precisas.

O processo comea com a aplicao uniforme de uma

camada de p metlico sobre uma plataforma.

Aps uma etapa de pr-aquecimento, um feixe de eltrons varre a camada de p e cria uma seo transversal da parte fundindo as partculas de p depositado.

FUSO POR FEIXE DE ELTRONS

Posteriormente, a plataforma reduzida a espessura de uma camada, outra camada de p novamente aplicada e o processo repetido at que toda a pea seja construda.

O processo realizado sob atmosfera controlada.

Diferentemente das demais tcnicas utilizando a MP, esta em especial no sinteriza o p metlico, mas funde as partculas pela elevada energia empregada no processo.

FUSO POR FEIXE DE ELTRONS

http://www.youtube.com/watch?v=eXWZ-ZPyfD8

Fabricao forma bsica: forma e tamanho do implante,

caractersticas do metal, custo de fabricao.

Modificao superficial e acabamento do dispositivo de

implante: jateamento, ataque cido, cobertura com

biocermicas, implantao inica, polimento.



mdico.


acabamento (passivao em cido apropriado), limpeza de impurezas, graxas, leos e lubrificantes (qumica ou eletroltica), testes de qualidade, embalagem e esterilizao. Esta etapa segue especificaes ASTM e ISO, sendo conduzida de acordo com

as boas prticas de fabricao (GMP Good Manufacturing Practice).

Processamento final:



mdico.


Aos Inoxidveis austenticos

Austenita: estrutura cbica de face centrada (CFC), no-magntica,

mantida em Tamb pela adio de elementos de liga (Ni).

Norma ASTM F138-86:

- Estrutura totalmente austentica

- Teor de incluso controlado: compromete resistncia corroso

- Tamanho de gro ASTM#6 (< 100 mm): aumento do limite de elasticidade

(NBR 6000/80)

COMPOSIO BSICA: 18% Cr e 8% Ni

Carbono: < 0,03 %p reduo da corroso in vivo

Sensitizao

Aos Inoxidveis austenticos 316L (ASTM F138 e F139), grau 2 (0,03% C)

Cr23C6


Cromo: > 12 %p inoxidveis (CrO alta resistncia ataque, aderncia e impermeabilidade).

Estabiliza fase austentica. Porm Si e Mo estabilizam ferrita.

Aos Inoxidveis austenticos 316L (ASTM F138 e F139), grau2


Nquel: estabiliza a fase austentica.

Alternativas: adio de N e elevao teor de Mn (ISO 5832-9).

Aos Inoxidveis austenticos 316L (ASTM F138 e F139), grau2

Vantagens: preo mais baixo e a facilidade de aquisio.

Desvantagens: Susceptibilidade corroso, elevada

densidade (~7,8 g/cm3) e um menor desempenho mecnico

quando sujeitas a foras de tenso cclicas.

Ao inoxidvel austentico (F138). Estrutura composta por gros maclados caractersticos

da estrutura austentica. Aumento: 400X. (Paschoal, 1998).

PROPRIEDADES MECNICAS

Ti puro - Grau 2 (F67). Microestrutura formada por fase a (CFC) com sinais de bandas de

deformao indicando recristalizao parcial. Aumento: 160 X.

ASTM F67: 98,9 99,6 %p de titnio fase-a

Ti - 6Al - 4V ASTM F136 (tipo a+b)

Elementos de liga: > resistncia e dureza

Resistncia contra corroso: TiO2 (insolvel)

Controle Processo de Fabricao: (solubilidade do O)

Aspectos negativos: V + Al (desordens neurolgicas)

Utilizao: principalmente para prtese articulares e odontolgicas

Ti - 6Al - 4V (F136). A estrutura consiste

de beta transformada contendo alfa

acicular. Esta regio alfa bem visvel

nos contornos de gro de beta.

Aumento: 200 X.

Al estabiliza fase-a (HC)

V estabiliza fase-b (CCC)

Vantagem:

As ligas de titnio tm elevada resistncia mecnica, baixa

densidade (~ 4,5 g/cm3) melhor resistncia corroso,

osseointegrao e um mdulo de elasticidade muito prximo do

osso cortical.

Desvantagem:

A desvantagem sobretudo o custo elevado e necessidade de

importao.

Comparativo entre Propriedades mecnicas

Ligas base de cobalto

Principalmente componentes de prteses de articulao.

Norma ASTM F75, F799 : Co-Cr-Mo

F562: Co-Cr-Ni-Mo

Co-Cr-Mo F75

Tcnica da cera perdida

85% matriz rica em Co (fase a) + 15% carbonetos interdendrticos

Problemas: Regio interdendrtica rica em Cr, Mo

Maior tamanho de gro

Partculas de revestimento agregado estrutura metlica

Macro e microporosidades

Co-Cr-Mo F75 Comerciais: Vitallium, Hayness-

Stellite 21 e Zimaloy.

Co-Cr-Mo F799 FHS (forged high strength) -

Howmedica.

Co-Cr-W-Ni F90 Haynes-Stellite 25.

MP35N F562 MP35N, Protasul-10 e Biophase.

Usadas a partir dos anos 50 principalmente na fabricao

de hastes de prteses de quadril.

Bastante resistentes corroso, mas tm cerca de 1/3 de

resistncia fratura se comparadas s ligas de titnio.

Alta liberao de partculas para o organismo.

A sua utilizao em implantes tende a diminuir.

uma liga cara (importada).

Ligas base de cobalto

03. biomateriais metálicos

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