Materiais Metálicos – ciência e Aplicação como Biomateriais

Biomateriais MetálicosSubstituição de ossosReparação de ossosPlacas metálicas para fraturas, etc.Implantes dentários, enchimento e pinosParafusos e gramposPartes de outros dispositivos

Corações artificiais – bombasMarca-passosCateteresExtensores (stents)

Aplicações

Tubos médicos

Cateter

extensores

Propriedades físicas dos metais

BrilhoBons condutores de calor e eletricidadeAlta densidadeAlto ponto de fusãoDúcteisAlta tenacidadeAlta resistência

Propriedades Químicas dos metais

Facilidade de perder elétrons;Superfície reativaPerda de massa

CORROSÃO

Obtenção e Processamento de MetaisMineração e purificação do minérioMetais brutos e estocagemTarugos e chapas – usinagem,

conformação, estampagem, etcformas e dispositivos preliminares

ProcessamentoAcabamento e tratamento de superfície

Obtenção e Processamento de Metais

Produção do Aço

Obtenção e processamento de Metais

Métodos de Conformação Mecânica

Deformação Plástica de Metais

Deformação Plástica de Metais

Quando uma tensão de cisalhamento é aplicada à uma discordância em (a), os átomos são deslocados, fazendo com que a discordância se movimente de um vetor de Burgers na direção de escorregamento (b). O movimento contínuo da discordância eventualmente cria um degrau (c), e o cristal é deformado. O movimento da lagarta (d) é análogo ao de uma discordância.

(Adaptado de: A. G. Guy, Essentials of Materials Science, McGraw-Hill, 1976).

Deformação Plástica dos Metais

Densidade de discordâncias da ordem de 106

a 1012 centímetros de discordância em cada centímetro cúbico de material

Mecanismos de endurecimento em metais

Macios e dúcteis – transformaçãoEndurecidos – para resistir as tensões aplicadas em serviçoOs metais são endurecidos quando o movimento das discordâncias é restringidoOs principais métodos de endurecimento são:

Por solução sólidaPor deformaçãoPor refino de grãoPor precipitação

Os átomos de soluto podem causar tanto tração (átomos menores) como compressão (átomos maiores) na rede cristalinaOs átomos de soluto se alojam na rede próximo às discordâncias de forma a minimizar a energia total do sistema

Endurecimento por solução sólida


Deformação por Tração imposta por um átomo de menor tamanho

Deformação por compressão imposta por um átomo de maior tamanho

Quando um átomo de uma impureza esta presente, o movimento da discordância fica restringido, ou seja, deve-se fornecer energia adicional para que continue havendo escorregamento. Por isso soluções sólidasde metais são sempre mais resistentes que seusmetais puros constituintes

Endurecimento por Solução Sólida


Usado na Odontologia:Ouro puro é muito macioAdição de Ag e de outros elementos como Cu, Pd, Pt aumentam sua resistência e melhora sua deformabilidadeAg – raio atômico maior do que AuCu – raio atômico menor do que Au

Endurecimento por deformação

Metal dúctil torna-se mais resistente e duro na medida em que é deformado plasticamenteAs discordâncias movem-se nos planos de escorregamento até encontrar algum obstáculo onde formam as chamadas linhas de distenções

O encruamento aumentao limite de escoamento

O encruamentodiminui a ductilidade

O encruamento aumenta a resistência mecânica

Endurecimento por deformação

Endurecimento por refino de grão

O contorno de grão interfere no movimento das discordânciasDevido as diferentes orientações cristalinas presentes, resultantes do grande número de grãos, as direções de escorregamento das discordâncias variam de grão para grão

O contorno de grão funciona como um barreira para a continuação do movimento das discordâncias devido as diferentes orientações presentes e também devido às inúmeras descontinuidades presentes no contorno de grão.


Endurecimento por Precipitação

Interação das discordâncias com partículas finamente dispersasExemplos:

Ligad de Al com Zn, o Mg e o CuLigas Ni-Cr-Fe-Nb (Incomel)Ti-Al-V e Cu-BeAços inoxidáveis com Al

Endurecimento por Precipitação

Tratamentos térmicos apropriados:Solubilização – formação de solução sólida da fase rica em elementos de ligaTêmpera – a liga é resfriada rapidamente, para que as fases não se formem → solução sólida supersaturadaEnvelhecimento – promove a formação de finos precipitados da segunda fase ou de uma fase de transição

Endurecimento por precipitação

Os precipitados também dificultam o movimento das discordâncias.Precipitados incoerentes: não existe continuidade entre os planos cristalinos do precipitado e os da matriz, e as discordâncias terão que se curvar entre os precipitados -MECANISMO DE OROWAN

Se os precipitados forem coerentes, as discordâncias em movimento poderão cortá-los ou cisalhá-los.Precipitados coerentes são muito menos comuns que precipitados incoerentes

Endurecimento por precipitação

Corrosão

Metais degradam a óxidos, hidróxidos e outros compostosFenômeno oposto a de uma bateriaFluidos biológicos contem água, oxigênio dissolvido, íons, etc.

Mistura muito agressivaCorrosão é um dos aspectos mais importantes da Biocompatibilidade dos metais

Mecanismo da corrosãoO estado de menor energia é o estado oxidadoÁtomos dos metais ionizam, entram em solução e combinam com o oxigênioEquação geral da corrosão

Corrosão

Oxidação -Anodo Redução - Catodo

Oxidação do Ferro:

Ferrugem

Série eletroquímica (H=0)Au > Ag > H > Fe > Ti > Al > Na > Li

Metais nobres possuem potencial de Nernst positivo, sendo imune a corrosão

Metais com potencial negativo se tornam anodosCorrosão galvânica envolve dois metais similares

O processo é muito mais rápido do que se utilizado um único metalDevemos evitar metais misturados!!!!!!

Corrosão

Corrosão Galvânica

Série Eletroquímica

Filmes passivadores podem limitar a corrosão (camadas de óxidos), mas também podem ser trincadas

Corrosão

AlFe a altas temp.PbCrAço inoxTi

CorrosãoOs diagramas de Pourbaix mostram regiões de corrosão, passivação e imunidade e como elas dependem do potencial de eletrodo e do pH

Logo regiões diferentes do corpo afetam o processo da corrosão diferentemente

Feridas e infecções podem mudar dramaticamente o pH

Corrosão e fadiga podem ser efeitos sinérgicosTestes devem sempre ser realizados em meios e condições fisiológicasImpressão na superfície do metal pode quebrar a passivaçãoProblema importante é assegurar que parafusos, porcas e chapas sejam do mesmo metal (corrosão galvânica)Os cirurgiões devem ter extremo cuidado para não arranhar a superfície do metal

Corrosão

Metais Usados na medicina

Aços inoxidáveis principalmente os austeníticos do tipo 316LLigas Co-Cr-Mo, Co-Ni-Cr-MoTitânio puro e Ti-6Al-4VAplicação em ortopedia: próteses articuladas e elementos estruturais de fixação

Metais Usados na medicina

Metais nobres - Au, Au, Pt, Pd, IrCaros e com propriedades pobres como materiaisUsados em eletrodos – elevada resistência a corrosão

Mercúrio – Amalgama dentárioAmalgamas - é toda liga metálica em que um dos metais envolvidos está em estado líquido, geralmente o mercúrioMetais formadores - mercúrio, prata e estanho, podendo haver também o zinco e

cobre

Metais Usados na Medicina

Fratura mecânicaFadigaDesgasteCorrosão Combinação destes eventos

Aços Inoxidáveis

Ligas a base cromo (acima de 12%)Resistência a corrosão – o cromo forma na presença de oxigênio uma camada delgada de óxido de cromoOs mais usados: aços inoxidáveis austeníticos

Estrutura CFCNão-magnética18% Cr e 8% Ni

Aços Inoxidáveis para implantes

Estrutura deve ser totalmente austeníticaTamanho de grão deverá ser igual ou menor que 5 (NBR6000/80)Tem limitação nos teores de impurezas

Substituição do Ni por N e elevação dos teores de Mn – Ni provoca uma resposta alergênica em muitos hospedeiros

Titânio e suas Ligas

É adequado para o trabalho em ambientes corrosivos ou para aplicações em que seja fundamental o seu baixo pesoPode apresentar dois tipos de formação cristalina:

Fase α - hexagonal compacto; não são tratáveis e são soldáveis, resistência varia de baixa a média, tem boa tenacidade ao entalhe e boa ductibilidadeFase β - cúbico de face centrada; são soldáveis e tratáveis, níveis de resistência variando de média a alta

Ti puro - Fase αBoa resistência a corrosão – TiO2

Aplicação como biomateriais:45% Ti-6Al-4V, 30% Ti puro e 25% outras ligas

Ti-6Al-4V tem mostrado certa toxicidade neurológica associada ao Al e VSubstituição do V por Nb (Ti-6Al-7Nb)Alumínio suspeito estar envolvido com o mal de Alzheimer – substituição pela liga Ti-13Zr-13Nb

Titânio e suas Ligas

Ligas a Base de CobaltoSão utilizadas desde 1924 – liga Stellite foi implantada em cães por Zierold1938 parafusos Co-Cr foram implantados em ossos de animaisSegui-se implantação de matrizes de uma liga a base de cobalto em humanos, basicamente como revestimento colocado sobre a cabeça do fêmurCoberturas de ligas fundidas à base de cobalto em endopróteses em1950

Ligas de Co mais utilizadas são a base de Co-Cr-Ni-MoPode haver soltura de íons metálicos (Cr e Ni) que migram para dentro do tecido adjacenteLigas Co-Cr-Mo mostram desgaste muito baixo

Ligas a Base de Cobalto

Exemplo – Substituição do Joelho

Problema Principal: Danos na cartilagem levam a vários problemas de artritesOsteoartrites: 20.7 milhões de americanos

Sintomas: dores Imobilidade

IntroduçãoSolução: Total Knee Replacement

(TKR)Aproximadamente 250,000 americanos recebem implantes de joelhos por ano

Resultados:Diminuição ou eliminação das doresMelhora na resistência da pernaMelhora na qualidade de vida

Projeto atual TKR

Quatro principais componentes:1. Componente femoral 2. Componente tibial3. Inserto plástico 4. componente patelar

Componente FemuralMateriais: Co-Cr-Mo

Ti-6Al-4V ELI

Interface: Press fit, fixação biológica, PMMA

Componente patelar:Materias: Polietileno

Co-Cr-Mo (Ti Alloy)

Interface: Press fit, fixação biológicaPMMA

Projeto atual TKR

Componente Tibial:Materias: Co-Cr-Mo (cast)

Ti-6Al-4V

Interface: Press Fit, Biological Fixation, PMMA

Inserto PlásticoMaterias: PE

Interface: Press Fit

Projeto atual TKR

Ligas com memória de forma

As ligas com memória de forma – SMA (Shape Memory Alloys) – são materiais metálicos que têm a capacidade de recuperar a sua forma mesmo depois de severamente deformados;O efeito de recuperação de forma não éexclusivo das ligas metálicas, existindo também em polímeros, em cerâmicos e em materiais biológicos, de que é exemplo o cabelo humano;

Ligas com Memória de Forma

Durante os anos 60 estes materiais conheceram as primeiras aplicações com a descoberta das propriedades das ligas Ni-Tipelo “Naval Ordonnance Laboratory”, nos EUA – ligas designadas por Nitinol ;

Industrialmente, o Nitinol foi utilizado pela primeira vez em 1967 na construção de mangas de junção para os aviões F14;

Principais ligas de memória de forma

Níquel-Titânio (50%-50%)CuZnAlCuAlNi

Fotomicrografia de uma ligade memória de forma

(69%Cu-26%Zn-5%Al),mostrando as agulhas de

martensita numa matriz deaustenita.

As ligas NiTi apresentamcerca 8% de deformação na transformação versus 4 to 5% para as ligas de Cu-Zn

grupo de metais que demonstra a capacidade de retomar uma forma ou tamanho previamente definidos quando sujeitas a um ciclo térmico apropriado


Como funcionam?estes materiais são constituídos por duas fases

sólidas distintas com estruturas cristalinas diferentes


Austenita• fase de alta temperatura(fase mãe)• dura• estrutura geralmente cúbica

Martensita•fase de baixa temperatura•flexível e facilmente deformável•estrutura com pouca simetria

O EFEITO DE MEMÓRIA DE FORMA DEVE-SE A MUDANÇA NA ESTRUTURA COM A TEMPERATURA

Como funciona?


Transformação martensítica

Martensita: perspectiva microscópicacristalograficamente, a transformação martensítica acontece em duas etapas:

deformação da rede cristalinaconsiste em todos os movimentos atómicos necessários para produzir a nova estrutura a partir da antiga;

acomodação atómicaos átomos acomodam-se de forma preferencial nas novas posições dando origem à nova fase – a martensite

Perspectiva microscópica:

Transformação martensítica

Perspectiva microscópica:

Superelasticidade

se a deformação imposta ao material por aplicação de uma carga a uma temperatura constante, for totalmente recuperada quando descarregado, o seu comportamento diz-se superelásticoa transformação da austenita em martensita e vice-versa, éde origem mecânicaà martensita resultante dá-se o nome de martensitainduzida por tensão

Aplicação na Medicina

Placas Ósseassão usadas placas de Ni-Ti

para substituir ossos fraturados;

as placas Ni-Ti são resfriadas e colocadas na zona

afetada;

a temperatura do corpo aquece as placas que contraem,

exercendo pressão controlada.


Cateteresas SMA´s podem também ser utilizadas na concepção de cateteres para diagnóstico;através da passagem de corrente o fio SMA que incorpora o cateter aquece e deforma.


Filtros para a veia cava

fios de nitinol superelásticos se colocam na veia cava para filtrar coágulos de sangue;os filtros, inicialmente de forma cilíndrica compacta de cerca de 2.5mm, são introduzidos via cateter e quando na posição certa, abrem com uma forma semelhante à de um guarda-chuva, usada para reter os coágulos.

Aplicação na MedicinaAparelhos para correção dos dentes

nos tradicionais aparelhos de aço inoxidável, sempre que os dentes “sucumbem” à força de correção aplicada, énecessário reajustar o aparelho;nos aparelhos de nitinol esse reajuste éautomático – superelasticidade.

Materiais Metálicos – ciência e Aplicação como Biomateriais · Corrosão e fadiga podem ser...

Documents

Transcript of Materiais Metálicos – ciência e Aplicação como Biomateriais · Corrosão e fadiga podem ser...