Propriedades mecânicas e tribológicas das ligas de Ti-Nb anodizadas para aplicação médica

Abstract

Resumo: O titânio (Ti) e suas ligas são bastante utilizados para fabricação de implantes dentários e próteses ortopédicas. Uma alternativa para o emprego de biomateriais metálicos na ortopedia são as ligas de titânio-nióbio (Ti-Nb), devido a sua excelente biocompatibilidade, e do ponto de vista econômico, devido à produção do Nb no Brasil em alta escala. Para estas aplicações específicas os metais devem possuir propriedades adequadas, tais como toxicidade zero, boas propriedades mecânicas (módulo de elasticidade próximo ao do osso humano), e de resistência à corrosão. Outro fator relevante a ser considerado é a recuperação rápida do paciente, que é conseguida através da diminuição do tempo de osseointegração entre o implante metálico e o osso, isto é, a superficie que estará em contato com o osso deverá ser bioativa para induzir o crescimento das células. Existem vários métodos para aumentar a bioatividade do Ti de forma a diminuir o tempo de convalescença do paciente. Esses tratamentos superficiais resultam em superfícies com morfologias, rugosidades e propriedades mecânicas diferentes. O presente estudo teve como objetivo modificar a superfície de uma liga de Ti-Nb com a intenção de torná-la bioativa usando a técnica a oxidação anódica (OA), que foi realizada usando o ácido fosfórico 1mol/L, sob modo potenciostático (250V/60s). Foram avaliadas a morfologia do filme anódico e elementos químicos presentes (MEV), as fases presentes (DRX e espectroscopia Raman), as propriedades mecânicas (indentação instrumentada), tribológicas (análise da taxa de desgaste e coeficiente de atrito) e de bioatividade in vitro (SBF). A superfície oxidada se apresentou com morfologia rugosa e porosa e enriquecida com P. Verificou-se que as ligas Ti-Nb apresentaram durezas mais elevadas e módulos de elasticidade mais baixos quando comparadas ao Ti comercialmente puro. Com relação aos testes tribológicos, não foram observadas diferenças significativas no coeficiente de atrito das várias superfícies analisadas e verificou-se que a taxa de desgaste foi mais baixa para a liga com 10% de Nb em relação a liga com 20% de Nb. Além da baixa taxa de desgaste essa liga se mostrou mais bioativa em solução de SBF do que a liga contendo 20% de Nb.

Abstract: Titanium (Ti) and its alloys are widely used for the manufacture of dental implants and orthopedic prostheses. An alternative to the use of metallic biomaterials in orthopedics are the titanium-niobium alloy (Ti-Nb) due to its excellent biocompatibility, and from the economic point of view, due to the production of Nb in Brazil on a large scale. For these specific applications the metal must have suitable properties such as zero toxicity, good mechanical properties (elastic modulus close to that of human bone) and corrosion resistance. Another important factor to be considered is the quick recovery of the patient, which is achieved by reducing the osseointegration time between the metal implant and bone, i.e. the surface that will be in contact with the bone must be bioactive to induce growth cells. There are several methods to increase the bioactivity of Ti in way to decrease the recovery of the patient. These surface treatments result in surfaces morphologies, different roughness and mechanical properties. This study aimed to modify the surface of Ti- Nb alloy with the intention of making it bioactive using the anodic oxidation (OA) technique, which was performed using phosphoric acid 1 mol / L, under potentiostatic mode (250V / 60s). It was evaluated the morphology and chemical elements present on the anodic film (SEM), the crystalline structure (XRD and Raman spectroscopy), mechanical (instrumented indentation) and tribological properties (analysis of the wear rate and friction coefficient) and the surface bioactivity in vitro (SBF). The oxidized surface presented rough and porous morphology, enriched with P and without great differences with increasing Nb content. It was found that the Ti-Nb alloys exhibited higher hardness and lower elastic modulus when compared to commercially pure Ti. Concerning the tribological tests, no significant differences were observed in the friction coefficient of the various surfaces studied and it was found that the wear rate was lower for the alloy with 10% Nb compared with 20% of Nb. Besides the low wear rate this alloy was more bioactive in SBF solution than the alloy containing 20% Nb.