Desenvolvimento de superfícies em titânio com gradiente de porosidade em ligas β de titânio

Abstract

Existem diversos materiais utilizados na área biomédica, porém um dos mais utilizados é o titânio devido à sua boa resistência mecânica especifica, baixa densidade e boa resistência à corrosão, no entanto possui enormes desvantagens para aplicações biomédicas como a sua baixa resistência ao degaste, a formação de um filme de óxido de Ti (TiO2) bionerte e o seu elevado módulo de Young comparativamente ao osso levando ao efeito de stress-shielding. De modo a evitar ou minimizar o efeito de stress-shielding e melhorar a ligação entre o osso e o implante recorre-se a ligas de baixo módulo de Young ou então a estruturas porosas de Ti. Uma outra abordagem para solucionar esta limitação dos implantes à base de titânio e de forma a mimetizar as propriedades do osso humano, recorre-se ao desenvolvimento de materiais não homogéneos, designados materiais com gradiente funcional (FGM). A brasagem, sendo uma técnica de ligação, permite ligar materiais dissimilares, sendo possível ser usada para criar FGMs. Este trabalho teve como objetivo a produção de estruturas de Ti com gradiente de porosidade em superfícies de uma liga de Ti tipo β, Ti-15Zr-15Mo (TZM). As estruturas porosas de Ti foram processadas por metalurgia dos pós com a técnica de space-holder. De seguida, estas estruturas porosas foram ligadas à TZM recorrendo à técnica de brasagem. Após o processamento, as superfícies e as secções de corte foram caracterizadas do ponto de vista microestrutural (MO e SEM) e químico (EDS). De modo compreender o comportamento à corrosão das superfícies propostas, o potencial de circuito aberto (OCP) foi monitorizado em diferentes tempos de imersão numa solução tampão de fosfato (PBS) a 37 °C. Polarização linear foi realizada para os diferentes tempos de imersão de modo a estudar a influência de cada uma das camadas do sistema proposto. Por outro lado, a técnica de polarização potenciodinâmica foi utilizada para avaliar a taxa e resistência à corrosão. Os resultados demostraram que a interface obtida por brasagem na ligação da liga TZM e estruturas porosas de Ti teve uma clara influência no comportamento à corrosão do sistema (TZM/estrutura porosa de Ti), uma vez que apresentou taxas de corrosão superior tanto da liga TZM como das estruturas porosas.

There are several materials used in the biomedical area but one of the most used is titanium due to good mechanical strength, low density and good corrosion resistance, however it has a huge disadvantage for biomedical applications due to his high Young's modulus as compared to bone leading to stress-shielding effect. In order to solve the stress-shielding effect of the implant and to improve the connection to the human bone it is used low Young's modulus alloys and porous Ti structures. Another approach to solve this limitation of titanium based implants and to mimic the properties of human bone is to use non-homogeneous functionally gradient materials (FGM). Brazing, being a connection technique, allows to connect dissimilar materials, and may be used to create FGMs. The purpose of this work was the production β-Ti (Ti-15Mo-15Zr, TZM) based Ti structures with surface porosity gradient. Ti porous structures have been processed by powder metallurgy with the space-holder technique. Then these porous structures were joined to TZM using brazing technique. After this procedure, the surface areas and the cross-sections were characterized microstructurally (OM and SEM) and chemically (EDS). In order to understand the corrosion behaviour of the proposed areas, the open circuit potential (OCP) was monitored at different times of immersion in a phosphate buffer solution (PBS) at 37 °C. Linear polarization was measured for the different immersion times in order to study the influence of each of the layers of the proposed system. On the other hand, the potentiodynamic polarization technique was used to assess the corrosion rate and resistance. The results demonstrated that the interface obtained by brazing the alloy TZM and Ti porous structures joint had a clear influence on the corrosion behaviour of the system (TZM/Ti porous structure), since it showed higher corrosion rates than both TZM alloy and porous structures, individually.