Avaliação das propriedades mecânicas e da adesão de filmes de óxidos obtidos por anodização em substrato de nióbio

Abstract

Resumo: Os materiais desenvolvidos para serem utilizados em implantes ósseos devem apresentar comportamento mecânico adequado, baixo módulo de elasticidade e possuir ótima resistência à corrosão. O nióbio (Nb) possui módulo de elasticidade mais próximo ao do tecido ósseo comparado a outros metais comumente utilizados em implantes. Seu óxido, Nb2O5, é um dos materiais preferidos para recobrimentos de biomateriais devido à alta resistência à corrosão, estabilidade termodinâmica e biocompatibilidade. O objetivo deste trabalho foi obter filmes anódicos enriquecidos com Ca, P ou ambos em substrato de Nb utilizando a técnica de oxidação por plasma eletrolítico. As oxidações ocorreram sob modo potenciostático, com os seguintes eletrólitos: eletrólito P (1mol.l-1H3PO4 + 20%(vol.) H2O2); eletrólito Ca (0,5 mol.l-1 Ca(CH3CO2)2·H2O) e eletrólito Ca+P. Um conjunto de amostras foi oxidado em uma única etapa e outro conjunto, em duas etapas. Nos eletrólitos P e P+Ca utilizou-se uma tensão de 350V/60s e no eletrólito Ca, 170V/60s para a oxidação em uma etapa. Para a oxidação em duas etapas utilizou-se P/250V/60s seguido de Ca/270V/60s; Ca/150V/60s seguido de P/350V/60s; P/250V/60s seguido de P50%+Ca50%/350V/60s e P/250V/60s seguido de Ca75%+P25%/350V/60s. Foi observado por microscopia eletrônica de varredura que todas as amostras apresentaram diferentes morfologias, com poros interconectados e geometrias diferentes. A rugosidade Ra de todas as amostras permaneceu na faixa de ordem sub-micrométricas (100nm ? Ra< 1?m). Pela análise de EDS verificou-se em função do eletrólito e do número de etapas da anodização, a formação de filmes contendo fósforo e/ou cálcio. A técnica de difração de raios X possibilitou a identificação de hidroxiapatita e de pentóxido de nióbio cristalino e amorfo. A formação da hidroxiapatita foi observada em amostras oxidadas em duas etapas, enriquecidas inicialmente com P e depois reoxidadas com Ca ou com a mistura dos eletrólitos. Nos testes de molhabilidade em água, filmes anódicos com pré-camada oxidada no eletrólito P e reoxidada com as misturas dos eletrólito (P+Ca) mostraram-se bastante hidrofílicos. Todos os filmes apresentaram boa adesão ao substrato. As características superficiais obtidas neste trabalho demonstraram que o processo de oxidação em duas etapas em nióbio é simples, viável e pode ser aplicado na área de implantes osseointegráveis. Palavras-chave: Nióbio, Oxidação em Duas Etapas, Oxidação por Plasma Eletrolítico, Adesão.

Abstract: The materials developed for load-bearing implants must be mechanically suitable, low elastic modulus, mechanical strength and must be high resistance to corrosion. The Nb has a lower elastic modulus comparing with the other metals usually commercially and Nb2O5 is a preferred coating material due to high corrosion resistance, thermodynamically stable and biocompatible. In this study, niobium plates were modified by anodization process. The anodization was performed using two electrolytes: P electrolyte = phosphoric acid 1 mol.L-1 + 20 %( volume) H2O2, Ca electrolyte = 0.5 mol.L-1 Ca (CH3CO2)2 · H2O, mixes P 50 % (volume) + Ca 50% (volume) and P 25 % (volume) + Ca 75% (volume). The anodic films were obtained under potentiostatic mode with applied potentials in one step (P/350 V/60s; Ca/170 V/60s e P50%+Ca50%/350V/60s) and in two steps (P/250V/60s and after Ca/270V/60s; Ca/150V/60s then P/350V/60s; P/250V/60s then P50%+Ca50%/350V/60s; P/250V/60s then Ca75%+P25%/350V/60s). It was observed by scanning electron microscopy (SEM) that all anodized surfaces presented different morphologies, formation pores and pores uniformly distributed over the surface. The Ra roughness of all samples remained in the submicron range (100nm ? Ra< 1?m). X-rays diffraction results showed the presence of Nb2O5 in all anodic films conditions, except for 350 V using P solution. Hydroxyapatite was found over the two surface anodized in two steps (first in P/250V/60s and after in Ca/270V/60s and other in Ca75%+P25%/350V/60s). The EDS analyses showed the phosphorus incorporation in anodic film anodized in P electrolyte, calcium incorporation in anodic film anodized in Ca electrolyte and calcium and phosphorus in anodic film using the Ca and P electrolyte mixtures. The wettability test showed high hydrophilicity for the films anodized in two steps (first in P/250V/60s and after in Ca50%+P50%/350V/60s and other in Ca75%+P25%/350V/60s). Analysis using scratch test showed that all the anodic films obtained in different conditions were well adhered on the Nb substrate. The surface characteristics obtained in this study showed that the Two-step Oxidation process in niobium can be a great option for use in osseointegrable implants. Keywords Niobium, Two-step Oxidation, Plasma Electrolytic Oxidation, Adhesion.