Laser assisted printing of micro communication systems for smart implants

Abstract

O mercado de implantes ortopédicos é um dos maiores no campo da medicina, como consequência do crescimento contínuo da população idosa. Apesar dos avanços tecnológicos, o ciclo de vida de um implante dificilmente excede 15 anos. Assim, as soluções mais promissoras para melhorar a vida útil do implante têm sido direcionadas ao desenvolvimento de novos implantes dotados de funções inteligentes. Contudo, o principal desafio tem sido na acomodação desses componentes inteligentes ao longo da superfície do implante, sem modificar significativamente seu design e performance. Guiado pela versatilidade da técnica de laser e baseado no conceito de implantes inteligentes, este trabalho está relacionado com a impressão de componentes do sistema de comunicação na superfície do implante. Apesar da liga de titânio (Ti6Al4V) ser considerada a escolha final para a fabricação de implantes ortopédicos, os implantes à base de zircônia surgiram como um material alternativo para superar alguns problemas relacionados aos implantes à base de titânio. Com isso em mente, este trabalho apresenta diferentes abordagens para a impressão do sistema de comunicação, considerando sua aplicação tanto em implantes à base de zircônia, quanto em implantes à base de liga de titânio. Em relação à superfície do Ti6Al4V, os resultados revelaram que a oxidação natural da texturização a laser é suficiente para evitar perdas elétricas dos fios para o substrato metálico. Além disso, quando comparado aos métodos convencionais, o laser revelou-se eficiente na produção de uma camada de óxido com boas propriedades de isolamento, assim como no processo de sinterização do material condutor. Na impressão dos micro-componentes na superfície da zircônia, os resultados demonstraram que, embora tenha sido verificada uma redução na resistência à flexão, a abordagem proposta permitiu imprimir fios à base de prata e micro-antenas com propriedades elétricas satisfatórias. A antena fabricada mostrou resultados de transmissão de energia bem acima do necessário para a comunicação de dados, o qual valida o seu uso para comunicar dados com o mundo externo. No geral, os resultados deste trabalho de pesquisa demonstraram que é possível imprimir microcomponentes em superfícies metálicas e cerâmicas, por meio de uma abordagem híbrida a laser, através da combinação de processos aditivos (sinterização a laser e oxidação a laser da superfície) e processos subtrativos (maquinagem a laser).

The market of orthopedic implants is one of the biggest in medicine field, as a consequence of the continuously growing elderly population. Despite the technological advances, the life cycle of an implant hardly exceeds 15 years Thus, the most promising solutions to improve the lifetime of implant have been targeted at the development of new implants endowed with smart functions. However, the most challenge has been in housing the smart components along the surface of the implant without modifying significantly its design and compromising its performance. Guided by the versatility of laser technique and based on smart implants concept, this work is concerned with the printing of communication system components on implant surface. Although Ti6Al4V titanium alloy is still the actual choice for orthopedic implants fabrication, due to its various excellent properties, zirconia-based implants have emerged as an alternative material to surpass remaining weakness of titanium-based implants. Bearing this in mind, this work presents different approaches for printing the communication system considering its application in both, zirconiabased implants and titanium alloy-based implants. Regarding titanium alloy surface, the results revealed that the natural oxidation from the laser texturing is sufficient for avoiding electrical losses from the wires to the metallic substrate. In addition, when compared to the conventional methods, laser revealed efficient for producing an oxide layer with good enough insulation properties, as also for sintering process of the conductor material. In the printing of the micro-components on zirconia surface, the results demonstrated that, although a reduction in the flexural strength has been verified, the proposed approach allowed to print silver-based wires and micro-antenna with satisfactory electrical properties. The fabricated antenna displayed power transmission results well above that required for data communication, which endorses its use to communicate data with the outside world. Overall, the results of this research work demonstrated that is possible to print microcomponents in both, metallic and ceramic surfaces, by means of hybrid laser technique that combines additive (laser sintering and laser surface oxidation) and subtractive (laser machining) processes.