Estudo comparativo entre o nióbio e ligas Ti-Nb submetidos à oxidação por plasma eletrolítico em etapas para aplicações biomédicas

Abstract

Resumo: Ligas binarias de titânio e nióbio foram produzidas com altas porcentagens de Nb (50, 80, e 90% em peso). As ligas confeccionadas apresentaram estrutura cristalina cúbica de corpo centrado, quando comparadas ao titânio comercialmente puro as ligas apresentaram resistência a corrosão superior, melhor performance em testes de viabilidade celular e módulo de elasticidade consideravelmente mais baixo. Entre a ligas produzidas, a com 50% de Nb apresentou menor taxa de corrosão, maior hidrofilicidade, melhor bioatividade e módulo de elasticidade consideravelmente mais próximo ao valor conhecido para o tecido ósseo. Após a caracterização dos substratos metálicos as ligas e o nióbio foram submetidos a um processo de modificação superficial para potencializar a interação com o tecido ósseo. A modificação superficial empregada foi a oxidação por plasma eletrolítico em até quatro etapas. As etapas foram realizadas alternando-se os eletrólitos entre soluções com íons fosfato (primeira e terceira etapas) e soluções com íons de cálcio (segunda e quarta etapas). Após a oxidação na primeira etapa (eletrólito com íons fosfato), formou-se uma morfologia com esferoides nas superfícies. Os recobrimentos formados nas três etapas subsequentes mostraram-se porosos e com composição química contendo os elementos cálcio e fósforo e razão Ti/Nb próximo dos valores das respectivas ligas. As análises das superfícies oxidadas mostraram, de maneira geral, uma redução no E para valores de aproximadamente 60 GPa e melhoraram a viabilidade celular das superfícies. Entre as etapas de oxidação, destaca-se as realizadas em eletrólito com íons fosfato da terceira etapa cujas superfícies apresentaram consideravelmente mais hidrofílicas e com melhores performances em teste de bioatividade. Os resultados apresentados indicam que as ligas demonstraram um grande potencial para a aplicação como biomaterial e através da oxidação por plasma eletrolítico em etapas é possível torná-las mais adequadas para a aplicação em dispositivos implantáveis. Palavras-chave: Liga de titânio, TixNb (x = 50,80 e 90%), nióbio, oxidação por plasma eletrolítico.

Abstract: Binary alloys of titanium and niobium were produced with high percentages of Nb (50, 80, and 90% by weight). The manufactured alloys presented cubic crystalline structure, superior corrosion resistance, improved performance in cell viability tests, and elastic moduli more suitable for application in biomaterials when compared to commercially pure titanium. Among the analyzed metallic substrates, the alloy with 50% of Nb showed a lower corrosion rate, greater hydrophilicity, better bioactivity, and E considerably closer to the known E value of bone tissue. After demonstrating good characteristics for application as implants, the alloys and niobium were subjected to a process of surface modification to enhance the interaction with the body environment. The surface modification employed was the plasma electrolytic oxidation in four steps. The steps were carried out alternating electrolytes solutions containing phosphate either ions and or calcium ions. After the first step, a spheroid-containing morphology was formed on the surfaces. Coatings formed on the following steps were porous, with chemical composition containing the calcium and phosphorus elements, and Ti / Nb ratio close to the values for the respective alloys. Oxidations, in general, reduced the elastic moduli to approximately constant values of 60 GPa and improved the cell viability of the surfaces. Among the oxidation steps, those carried out in electrolytes with phosphate ions were significantly more hydrophilic presenting better performances in the bioactivity test. Overall, the alloys demonstrated great potential for the application as biomaterials and through the electrolytic plasma by steps, it is possible to project them more suitably as implantable devices. Keywords Titanium alloy, TixNb (x = 50, 80 e 90%), Niobium, Plasma Electrolytic Oxidation.