Biomateriais MetálicosSubstituição de ossosReparação de ossosPlacas metálicas para fraturas, etc.Implantes dentários, enchimento e pinosParafusos e gramposPartes de outros dispositivos
Corações artificiais – bombasMarca-passosCateteresExtensores (stents)
Propriedades físicas dos metais
BrilhoBons condutores de calor e eletricidadeAlta densidadeAlto ponto de fusãoDúcteisAlta tenacidadeAlta resistência
Propriedades Químicas dos metais
Facilidade de perder elétrons;Superfície reativaPerda de massa
CORROSÃO
Obtenção e Processamento de MetaisMineração e purificação do minérioMetais brutos e estocagemTarugos e chapas – usinagem,
conformação, estampagem, etcformas e dispositivos preliminares
ProcessamentoAcabamento e tratamento de superfície
Deformação Plástica de Metais
Quando uma tensão de cisalhamento é aplicada à uma discordância em (a), os átomos são deslocados, fazendo com que a discordância se movimente de um vetor de Burgers na direção de escorregamento (b). O movimento contínuo da discordância eventualmente cria um degrau (c), e o cristal é deformado. O movimento da lagarta (d) é análogo ao de uma discordância.
(Adaptado de: A. G. Guy, Essentials of Materials Science, McGraw-Hill, 1976).
Deformação Plástica dos Metais
Densidade de discordâncias da ordem de 106
a 1012 centímetros de discordância em cada centímetro cúbico de material
Mecanismos de endurecimento em metais
Macios e dúcteis – transformaçãoEndurecidos – para resistir as tensões aplicadas em serviçoOs metais são endurecidos quando o movimento das discordâncias é restringidoOs principais métodos de endurecimento são:
Por solução sólidaPor deformaçãoPor refino de grãoPor precipitação
Os átomos de soluto podem causar tanto tração (átomos menores) como compressão (átomos maiores) na rede cristalinaOs átomos de soluto se alojam na rede próximo às discordâncias de forma a minimizar a energia total do sistema
Endurecimento por solução sólida
Endurecimento por solução sólida
Deformação por Tração imposta por um átomo de menor tamanho
Deformação por compressão imposta por um átomo de maior tamanho
Quando um átomo de uma impureza esta presente, o movimento da discordância fica restringido, ou seja, deve-se fornecer energia adicional para que continue havendo escorregamento. Por isso soluções sólidasde metais são sempre mais resistentes que seusmetais puros constituintes
Endurecimento por solução sólida
Usado na Odontologia:Ouro puro é muito macioAdição de Ag e de outros elementos como Cu, Pd, Pt aumentam sua resistência e melhora sua deformabilidadeAg – raio atômico maior do que AuCu – raio atômico menor do que Au
Endurecimento por deformação
Metal dúctil torna-se mais resistente e duro na medida em que é deformado plasticamenteAs discordâncias movem-se nos planos de escorregamento até encontrar algum obstáculo onde formam as chamadas linhas de distenções
O encruamento aumentao limite de escoamento
O encruamentodiminui a ductilidade
O encruamento aumenta a resistência mecânica
Endurecimento por deformação
Endurecimento por refino de grão
O contorno de grão interfere no movimento das discordânciasDevido as diferentes orientações cristalinas presentes, resultantes do grande número de grãos, as direções de escorregamento das discordâncias variam de grão para grão
O contorno de grão funciona como um barreira para a continuação do movimento das discordâncias devido as diferentes orientações presentes e também devido às inúmeras descontinuidades presentes no contorno de grão.
Endurecimento por refino de grão
Endurecimento por Precipitação
Interação das discordâncias com partículas finamente dispersasExemplos:
Ligad de Al com Zn, o Mg e o CuLigas Ni-Cr-Fe-Nb (Incomel)Ti-Al-V e Cu-BeAços inoxidáveis com Al
Endurecimento por Precipitação
Tratamentos térmicos apropriados:Solubilização – formação de solução sólida da fase rica em elementos de ligaTêmpera – a liga é resfriada rapidamente, para que as fases não se formem → solução sólida supersaturadaEnvelhecimento – promove a formação de finos precipitados da segunda fase ou de uma fase de transição
Endurecimento por precipitação
Os precipitados também dificultam o movimento das discordâncias.Precipitados incoerentes: não existe continuidade entre os planos cristalinos do precipitado e os da matriz, e as discordâncias terão que se curvar entre os precipitados -MECANISMO DE OROWAN
Se os precipitados forem coerentes, as discordâncias em movimento poderão cortá-los ou cisalhá-los.Precipitados coerentes são muito menos comuns que precipitados incoerentes
Endurecimento por precipitação
Corrosão
Metais degradam a óxidos, hidróxidos e outros compostosFenômeno oposto a de uma bateriaFluidos biológicos contem água, oxigênio dissolvido, íons, etc.
Mistura muito agressivaCorrosão é um dos aspectos mais importantes da Biocompatibilidade dos metais
Mecanismo da corrosãoO estado de menor energia é o estado oxidadoÁtomos dos metais ionizam, entram em solução e combinam com o oxigênioEquação geral da corrosão
Corrosão
Oxidação -Anodo Redução - Catodo
Oxidação do Ferro:
Ferrugem
Série eletroquímica (H=0)Au > Ag > H > Fe > Ti > Al > Na > Li
Metais nobres possuem potencial de Nernst positivo, sendo imune a corrosão
Metais com potencial negativo se tornam anodosCorrosão galvânica envolve dois metais similares
O processo é muito mais rápido do que se utilizado um único metalDevemos evitar metais misturados!!!!!!
Corrosão
Filmes passivadores podem limitar a corrosão (camadas de óxidos), mas também podem ser trincadas
Corrosão
AlFe a altas temp.PbCrAço inoxTi
CorrosãoOs diagramas de Pourbaix mostram regiões de corrosão, passivação e imunidade e como elas dependem do potencial de eletrodo e do pH
Logo regiões diferentes do corpo afetam o processo da corrosão diferentemente
Feridas e infecções podem mudar dramaticamente o pH
Corrosão e fadiga podem ser efeitos sinérgicosTestes devem sempre ser realizados em meios e condições fisiológicasImpressão na superfície do metal pode quebrar a passivaçãoProblema importante é assegurar que parafusos, porcas e chapas sejam do mesmo metal (corrosão galvânica)Os cirurgiões devem ter extremo cuidado para não arranhar a superfície do metal
Corrosão
Metais Usados na medicina
Aços inoxidáveis principalmente os austeníticos do tipo 316LLigas Co-Cr-Mo, Co-Ni-Cr-MoTitânio puro e Ti-6Al-4VAplicação em ortopedia: próteses articuladas e elementos estruturais de fixação
Metais Usados na medicina
Metais nobres - Au, Au, Pt, Pd, IrCaros e com propriedades pobres como materiaisUsados em eletrodos – elevada resistência a corrosão
Mercúrio – Amalgama dentárioAmalgamas - é toda liga metálica em que um dos metais envolvidos está em estado líquido, geralmente o mercúrioMetais formadores - mercúrio, prata e estanho, podendo haver também o zinco e
cobre
Aços Inoxidáveis
Ligas a base cromo (acima de 12%)Resistência a corrosão – o cromo forma na presença de oxigênio uma camada delgada de óxido de cromoOs mais usados: aços inoxidáveis austeníticos
Estrutura CFCNão-magnética18% Cr e 8% Ni
Aços Inoxidáveis para implantes
Estrutura deve ser totalmente austeníticaTamanho de grão deverá ser igual ou menor que 5 (NBR6000/80)Tem limitação nos teores de impurezas
Substituição do Ni por N e elevação dos teores de Mn – Ni provoca uma resposta alergênica em muitos hospedeiros
Titânio e suas Ligas
É adequado para o trabalho em ambientes corrosivos ou para aplicações em que seja fundamental o seu baixo pesoPode apresentar dois tipos de formação cristalina:
Fase α - hexagonal compacto; não são tratáveis e são soldáveis, resistência varia de baixa a média, tem boa tenacidade ao entalhe e boa ductibilidadeFase β - cúbico de face centrada; são soldáveis e tratáveis, níveis de resistência variando de média a alta
Ti puro - Fase αBoa resistência a corrosão – TiO2
Aplicação como biomateriais:45% Ti-6Al-4V, 30% Ti puro e 25% outras ligas
Ti-6Al-4V tem mostrado certa toxicidade neurológica associada ao Al e VSubstituição do V por Nb (Ti-6Al-7Nb)Alumínio suspeito estar envolvido com o mal de Alzheimer – substituição pela liga Ti-13Zr-13Nb
Titânio e suas Ligas
Ligas a Base de CobaltoSão utilizadas desde 1924 – liga Stellite foi implantada em cães por Zierold1938 parafusos Co-Cr foram implantados em ossos de animaisSegui-se implantação de matrizes de uma liga a base de cobalto em humanos, basicamente como revestimento colocado sobre a cabeça do fêmurCoberturas de ligas fundidas à base de cobalto em endopróteses em1950
Ligas de Co mais utilizadas são a base de Co-Cr-Ni-MoPode haver soltura de íons metálicos (Cr e Ni) que migram para dentro do tecido adjacenteLigas Co-Cr-Mo mostram desgaste muito baixo
Ligas a Base de Cobalto
Exemplo – Substituição do Joelho
Problema Principal: Danos na cartilagem levam a vários problemas de artritesOsteoartrites: 20.7 milhões de americanos
Sintomas: dores Imobilidade
IntroduçãoSolução: Total Knee Replacement
(TKR)Aproximadamente 250,000 americanos recebem implantes de joelhos por ano
Resultados:Diminuição ou eliminação das doresMelhora na resistência da pernaMelhora na qualidade de vida
Projeto atual TKR
Quatro principais componentes:1. Componente femoral 2. Componente tibial3. Inserto plástico 4. componente patelar
Componente FemuralMateriais: Co-Cr-Mo
Ti-6Al-4V ELI
Interface: Press fit, fixação biológica, PMMA
Componente patelar:Materias: Polietileno
Co-Cr-Mo (Ti Alloy)
Interface: Press fit, fixação biológicaPMMA
Projeto atual TKR
Componente Tibial:Materias: Co-Cr-Mo (cast)
Ti-6Al-4V
Interface: Press Fit, Biological Fixation, PMMA
Inserto PlásticoMaterias: PE
Interface: Press Fit
Projeto atual TKR
Ligas com memória de forma
As ligas com memória de forma – SMA (Shape Memory Alloys) – são materiais metálicos que têm a capacidade de recuperar a sua forma mesmo depois de severamente deformados;O efeito de recuperação de forma não éexclusivo das ligas metálicas, existindo também em polímeros, em cerâmicos e em materiais biológicos, de que é exemplo o cabelo humano;
Ligas com Memória de Forma
Durante os anos 60 estes materiais conheceram as primeiras aplicações com a descoberta das propriedades das ligas Ni-Tipelo “Naval Ordonnance Laboratory”, nos EUA – ligas designadas por Nitinol ;
Industrialmente, o Nitinol foi utilizado pela primeira vez em 1967 na construção de mangas de junção para os aviões F14;
Principais ligas de memória de forma
Níquel-Titânio (50%-50%)CuZnAlCuAlNi
Fotomicrografia de uma ligade memória de forma
(69%Cu-26%Zn-5%Al),mostrando as agulhas de
martensita numa matriz deaustenita.
As ligas NiTi apresentamcerca 8% de deformação na transformação versus 4 to 5% para as ligas de Cu-Zn
grupo de metais que demonstra a capacidade de retomar uma forma ou tamanho previamente definidos quando sujeitas a um ciclo térmico apropriado
Ligas com Memória de Forma
Como funcionam?estes materiais são constituídos por duas fases
sólidas distintas com estruturas cristalinas diferentes
Ligas com Memória de Forma
Austenita• fase de alta temperatura(fase mãe)• dura• estrutura geralmente cúbica
Martensita•fase de baixa temperatura•flexível e facilmente deformável•estrutura com pouca simetria
Transformação martensítica
Martensita: perspectiva microscópicacristalograficamente, a transformação martensítica acontece em duas etapas:
deformação da rede cristalinaconsiste em todos os movimentos atómicos necessários para produzir a nova estrutura a partir da antiga;
acomodação atómicaos átomos acomodam-se de forma preferencial nas novas posições dando origem à nova fase – a martensite
Superelasticidade
se a deformação imposta ao material por aplicação de uma carga a uma temperatura constante, for totalmente recuperada quando descarregado, o seu comportamento diz-se superelásticoa transformação da austenita em martensita e vice-versa, éde origem mecânicaà martensita resultante dá-se o nome de martensitainduzida por tensão
Aplicação na Medicina
Placas Ósseassão usadas placas de Ni-Ti
para substituir ossos fraturados;
as placas Ni-Ti são resfriadas e colocadas na zona
afetada;
a temperatura do corpo aquece as placas que contraem,
exercendo pressão controlada.
Aplicação na Medicina
Cateteresas SMA´s podem também ser utilizadas na concepção de cateteres para diagnóstico;através da passagem de corrente o fio SMA que incorpora o cateter aquece e deforma.
Aplicação na Medicina
Filtros para a veia cava
fios de nitinol superelásticos se colocam na veia cava para filtrar coágulos de sangue;os filtros, inicialmente de forma cilíndrica compacta de cerca de 2.5mm, são introduzidos via cateter e quando na posição certa, abrem com uma forma semelhante à de um guarda-chuva, usada para reter os coágulos.