Download - 03. Biomateriais Metálicos
-
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
-
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.
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
-
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.
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
-
Fabricao forma bsica: forma e tamanho do implante,
caractersticas do metal, custo de fabricao.
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
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.
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
-
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:
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
-
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
-
COMPOSIO BSICA: 18% Cr e 8% Ni
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
-
COMPOSIO BSICA: 18% Cr e 8% Ni
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