Autor(es): Longhitano, Guilherme Arthur, 1991-
Data: 2019
Identificador Persistente: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1636371
Origem: Oasisbr
Assunto(s): Implantes ortopédicos; Funcionalização; Anodização eletroquímica; Ligas de titânio; Prototipagem rápida; Orthopedic implants - Technological innovations; Functional materials; Anodizing; Titanium alloys; Additive manufacturing
Orientadores: Cecília Amélia de Carvalho Zavaglia, Maria Aparecida Larosa
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica
Resumo: A Sinterização Direta de Metais por Laser (DMLS) é uma técnica de manufatura aditiva que, quando direcionada à Medicina, permite a construção de implantes e dispositivos personalizados com geometrias complexas, como estruturas porosas denominadas scaffolds. Este trabalho teve como objetivo a produção de scaffolds da liga Ti-6Al-4V ELI por DMLS, visando a mimetização do tecido ósseo, e a funcionalização de suas superfícies através da técnica de anodização eletroquímica. Dois tipos de anodização foram adotados: anodização em solução de 1 M de H2SO4 e 34,5 mM de HF (AN1) e em solução de 1 M de NH4H2PO4 e 0,3 M de NH4F (AN2), ambas com tensão de 20 V durante 5 min a 20 ± 2 °C. Técnicas de caracterização geométrica e estrutural (microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura, medidas de massa e microtomografia de raios-X), mecânica (ensaios de compressão), microestrutural (difração de raios-X e análise metalográfica), de superfície (perfilometria confocal óptica, ângulo de contato, microscopia eletrônica de varredura, ensaios de corrosão e cromatografia iônica) e biológica (ensaios de citotoxicidade) foram empregadas para análise. Foram produzidos scaffolds de distintos tipos de célula unitária (cúbica, diamante e hexagonal) com estruturas contínuas e poros interligados, que apresentaram valores de rigidez e porosidade compatíveis ao osso trabecular humano. A microestrutura do material é formada por martensita acicular com nanocristais de fase ? entre as agulhas de martensita. Como resultado das técnicas de anodização, uma camada duplex constituída por uma camada barreira e uma de nanoporos foi obtida para as duas condições. Como consequência, fluoretos foram incorporados às camadas anódicas e aumentos da hidrofilicidade e da resistência à corrosão foram obtidos. As superfícies não apresentaram citotoxicidade em teste de viabilidade celular indireto (por veículo de extração). No geral, estruturas funcionalizadas e que mimetizam o tecido ósseo foram obtidas com sucesso. A célula unitária hexagonal foi a que apresentou as melhores propriedades mecânicas e ambas as técnicas de anodização mostraram-se válidas para a funcionalização. Os resultados sugerem que o uso de distintas tecnologias na confecção de implantes ortopédicos personalizados e otimizados, apesar de envolverem um alto custo, resultam na melhoria de qualidade de vida dos pacientes e, a longo prazo, numa redução do custo envolvido na cirurgia e manutenção de implantes ortopédicos
Abstract: Direct Metal Laser Sintering (DMLS) is an additive manufacturing process that, when applied to Medicine, allows the construction of implants and custom devices with complex geometries, including porous structures called scaffolds. This work produced Ti-6Al-4V ELI alloy scaffolds by DMLS, aiming bone tissue biomimetics, and the functionalization of their surfaces through electrochemical anodizing technique. Two types of anodizing were applied: anodizing in 1 M H2SO4 and 34.5 mM HF solution (AN1) and in 1 M NH4H2PO4 and 0.3 M NH4F solution (AN1), both with a voltage of 20 V for 5 min at 20 ± 2 ° C. Geometric and structural (optical microscopy, scanning electron microscopy, mass measurements and X-ray microtomography), mechanical (compression tests), microstructural (X-ray diffraction and metallographic analysis), surface (confocal optical profilometry, contact angle, scanning electron microscopy, corrosion tests and ion chromatography) and biological (cytotoxicity assays) characterization techniques were used for analysis. Scaffolds of different unit cell types were produced (cubic, diamond and hexagonal) with continuous structures and interconnected pores, which presented values of stiffness and porosity compatible with human¿s cancellous bone. The material microstructure is constituted by acicular martensite with ?-phase nanocrystals among martensite needles. As result of the anodizing techniques, a duplex layer consisting of a barrier layer and a nanoporous layer was obtained in both conditions. As consequence, fluoride ions were incorporated into the anodic layers and an increase in hydrophilicity and in corrosion resistance was obtained. The surfaces did not present cytotoxicity in cell viability assays by extraction vehicle. In general, functionalized structures, which mimic bone tissue, were successfully obtained. The hexagonal unit cell presented the best mechanical properties and both anodizing techniques were successful in functionalizing the surfaces. The results suggest the use of different technologies for manufacturing customized and optimized orthopedic implants, although involves a high cost, improve the patients¿ quality of life and, in the long term, result in a reduction of the costs involved in surgery and maintenance of orthopedic implants
Doutorado
Materiais e Processos de Fabricação
Doutor em Engenharia Mecânica
CNPQ
141221/2015-1
CNPEM
