Ciência dos Materiais Biocompatíveis (2Quadri 2014)
Biomateriais Metálicos
[email protected] Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas CECS
Propriedades Interação do material com o do sistema material biológico Projeto e Processo de manufatura
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Propriedades Interação do material com o do sistema material biológico Projeto e Processo de manufatura
Para aplicações biomédicas, as propriedades mais importantes: resistência mecânica e reatividade química.
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)
Propriedades Interação do material com o do sistema material biológico Projeto e Processo de manufatura
MATERIAIS METÁLICOS
Propriedades Interação do material com o do sistema material biológico
Ligas Metálicas
Projeto e Processo de manufatura
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Características químicas e cristalográficas das fases Distribuição, quantidade e orientação das fases Impacto das fases nas propriedades.
Propriedades Interação do material com o do sistema material biológico Projeto e Processo de manufatura
Implantes temporários
Implantes permanentes Ortopedia Resistentes ao ataque corrosivo por fluídos fisiológicos Resistentes a fadiga durante a vida útil desejada Não devem promover trauma sangüíneo, coagulação ou desnaturação de proteínas Não devem alterar a composição química dos fluidos ou dos tecidos Não devem interferir com os mecanismos normais de defesa Não devem gerar respostas carcinogênicas Não devem sofrer fratura catastrófica a resultado da fragilidade ou longo uso, ou fluência Conformabilidade em qualquer formato requerido
Propriedades Interação do material com o do sistema material biológico Projeto e Processo de manufatura
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Propriedades Interação do material com o do sistema material biológico Projeto e Processo de manufatura
ORTOPEDIA
ORTOPEDIA
ORTOPEDIA
PROTESE DE QUADRIL ~20 anos vida media útil (30% de falha) Ligas de Ti ou CoCr na haste femural, acetábulo de polímero (UHMWPE), cabeça metálica ou cerâmica (alumina ou zirconia )
ORTOPEDIA Joelho :
maior chance de falha, Ligas de Ti ou CoCr na parte femural, UHMWPE na parte tibial
Próteses Articulares -Tipos Tornozelo :
curta duração, tibial, talar e fibular, tipicamente CoCr e PEUAPM
Ombro, cotovelo :
falha comum devido a movimentos rotacionais
Outras :
dedos, espinha (compósitos c/ polímeros)
ORTOPEDIA Prótese de ombro Falha comum devido a movimentos rotacionais
ORTOPEDIA
ODONTOLOGIA Cirurgia ortognática
CRANIOPLASTIA
CARDIOVASCULAR Colocação de stents
Vantagens dos metais como biomateriais
Elevados valores de resistência mecânica (capacidade para sustentação de cargas)
Confecção de peças em diferentes formatos
Desvantagens dos metais como biomateriais
Os valores de E são muito superiores aos do osso, não permitindo as vezes que o osso fixado receba estímulo mecânico
Sofrem corrosão
FACA ENTERRADA NA CABEÇA POR 4 ANOS
http://www.pattayadailynews.com/en/2011/02/18/knife-buried-in-head-for-4-years/
CORROSÃO
PRINCIPAIS METAIS UTILIZADOS NA MEDICINA Ligas Metálicas – Implantes Cirúrgicos Aço Inoxidável 316 e 316L
F138-86, F139-86, F745-81 (1988), F666-80, e F642-79 (1984)
Titânio 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
Tântalo 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 biológica e mecânica do material, devido às propriedades da superfície do dispositivo médico.
Kroll Process for titanium 2Mg + TiCl4
2MgCl2 + Ti
Cada etapa deste processo pode influenciar na performance biológica e mecânica do material, devido às propriedades da superfície do dispositivo médico.
Cada etapa deste processo pode influenciar na performance biológica e mecânica do material, devido às propriedades da superfície do dispositivo médico.
Cada etapa deste processo pode influenciar na performance biológica e mecânica do material, devido às propriedades da superfície do dispositivo médico.
difíceis de usinar por métodos convencionais técnicas especiais de fundição ou metalurgia do pó difíceis de fundir frequentemente usináveis (mesmo com dificuldade).
: trabalho mecânico ou deformação de uma única peça, pela aplicação de sucessivos insuflamentos ou compressões contínuas.
A menor temperatura, na qual uma estrutura deformada, é restaurada ou substituída por uma estrutura nova, livre de tensões, permanecendo por um tempo determinado. –
Trabalho a Frio Conformação do material pela aplicação de pressão ou choque; •
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Objetivo: obtenção do metal na forma desejada e melhoria de suas propriedades mecânicas; Processos: laminação, trefilação, forjamento, extrusão; Ex. aplicação: perfis estruturais, chapas, fios, cabos, etc. Aumenta a dureza e a resistência dos materiais, mas a ductilidade diminui; Permite a obtenção de dimensões dentro de tolerâncias estreitas; Produz melhor acabamento superficial; Ocorre o encruamento do material.
Trabalho a Frio
%TF = Ao-Af x 100 Ao
Ao Secção retangular
Secção circular
Af
Trabalho a Frio •
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Melhor controle dimensional; Melhor acabamento superficial; Aumento da resistência mecânica e dureza do material;
Maior energia para deformar; Menor deformação; O material após a conformação apresenta elevado estado de tensões (< ductilidade); Exige ferramental que suportem maiores tensões.
Encruamento
Trabalho a Quente
Trabalho a Quente
Trabalho a Quente •
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Permite emprego de menor esforço mecânico para a mesma deformação (máquinas 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 recristalização.
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Exige ferramental resistente ao calor (> custo); O material sofre maior oxidação, formando casca de óxidos; Não permite a obtenção de dimensões dentro de tolerâncias estreitas.
: geometria desejada é obtida por remoção do excesso de material através através de ferramentas ferramentas de corte.
: redução na área de seção reta com correpondente correpondente aumento no comprimento comprimento mediante estiramento da peça metálica em matriz com orifício cônico.
LIGAS DE TI 1) Forjamento – 900 ºC
Ti6Al17Nb (ISO 5832-17)
2) Remoção de rebarba 3) Hot rolling (laminação) 4) Ângulo CCD 5) Forjamento 6) Aba para usinagem
7) Usinagem final
Fundição: metal totalmente fundido é derramado no interior da cavidade de um molde que possui forma desejada.
: empregada quando são necessários elevada precisão adimensional, reprodução de pequenos detalhes e excelente excelente acabamento
METALURGIA DO PÓ : compactação de pós de metal, seguida por sinterização para obtenção de peças mais densas.
Obtenção do pó metálico
Prensagem ou compactação
Sinterização
Acabamento
Produção de peças em dimensões finais (Near-net shape)
Minimiza perdas de matéria-prima
Permite uso de ligas variadas
CARACTERÍSTICAS DO PÓ METÁLICO E SUA INFLUÊNCIA
FUSÃO POR FEIXE DE ELÉTRONS
A técnica utiliza um modelo base de estrutura pré-formada.
Um modelo 3D assistido por computador é avaliado por camadas de espessura constante para fornecer informações precisas.
O processo começa com a aplicação uniforme de uma camada de pó metálico sobre uma plataforma.
Após uma etapa de pré-aquecimento, um feixe de elétrons varre a camada de pó e cria uma seção transversal da parte fundindo as partículas de pó depositado. Posteriormente, a plataforma é reduzida a espessura de uma camada, outra camada de pó é novamente aplicada e o processo é repetido até que toda a peça seja construída.
O processo é realizado sob atmosfera controlada.
Diferentemente das demais técnicas utilizando a MP, esta em especial não sinteriza o pó metálico, mas funde as partículas pela elevada energia empregada no processo.
FUSÃO POR FEIXE DE ELÉTRONS http://www.youtube.com/watch?v=eXWZ-ZPyfD8
Cada etapa deste processo pode influenciar na performance biológica e mecânica do material, devido às propriedades da superfície do dispositivo médico.
Cada etapa deste processo pode influenciar na performance biológica e mecânica do material, devido às propriedades da superfície do dispositivo médico.
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estrutura cúbica de face centrada (CFC), não-magnética, mantida em Tamb pela adição de elementos de liga (Ni). Norma ASTM F138-86: - Estrutura totalmente austenítica - Teor de inclusão controlado: compromete resistência à corrosão - Tamanho de grão ASTM#6 (< 100 mm): aumento do limite de elasticidade (NBR 6000/80)
316L (ASTM F138 e F139), grau 2 (0,03% C) COMPOSIÇÃO BÁSICA: 18% Cr e 8% Ni
Carbono: < 0,03 %p redução da corrosão i n Sensitização
vivo
316L (ASTM F138 e F139), grau2 COMPOSIÇÃO BÁSICA: 18% Cr e 8% Ni
Cromo: > 12 %p inoxidáveis (CrO alta resistência à ataque, aderência e impermeabilidade). Estabiliza fase austenítica. Porém Si e Mo estabilizam ferrita.
316L (ASTM F138 e F139), grau2 COMPOSIÇÃO BÁSICA: 18% Cr e 8% Ni
Níquel: estabiliza a fase austenítica. Alternativas: adição de N e elevação teor de Mn (ISO 5832-9).
preço mais baixo e a facilidade de aquisição.
Susceptibilidade
à
corrosão,
elevada
densidade (~7,8 g/cm3) e um menor desempenho mecânico
quando sujeitas a forças de tensão cíclicas.
Aço inoxidável austenítico (F138). Estrutura composta por grãos maclados característicos da estrutura austenítica. Aumento: 400X. (Paschoal, 1998).
Ti puro - Grau 2 (F67). Microestrutura formada por fase
(CFC) com sinais de bandas de
Ti - 6Al - 4V ASTM F136 (tipo + )
Ti - 6Al - 4V (F136). A estrutura consiste de beta transformada contendo alfa acicular. Esta região alfa é bem visível nos contornos de grão de beta. Aumento: 200 X.
Principalmente componentes de próteses de articulação.
Comerciais: Vitallium, HaynessStellite 21 e Zimaloy.
FHS (forged high strength) Howmedica.
Haynes-Stellite 25.
MP35N, Protasul-10 e Biophase.
