Mechanical characterization of porous titanium implant materials

Abstract

Titanium and its alloys are widely used in orthopaedic and dental implants due to their biocompatibility and excellent corrosion resistance. However, titanium has a high Young's modulus (100 GPa) compared to the Young's modulus of bone (10 to 30 GPa). Titanium foams are considered as promising biomaterial for various orthopaedic applications owing to their ability on reducing the biomechanical mismatch, allowing the new-bone tissue in-growth and transportation of the body fluids. However, lack of bioactivity and low wear resistance are still major concerns. This work aimed at developing porous Ti−TiB−TiNx in-situ composites in order to improve the mechanical properties of titanium foams. Porous Ti−TiB−TiNx in-situ composites were processed by reactive sintering with space-holder technique. Mechanical behaviour of the porous in-situ composites was investigated by compressive and shear tests. Results showed that the hardness increased for both dense and porous composite materials. However, composites materials presented lower compressive and shear strength.

O titânio e as suas ligas são, desde há muitos anos, utilizados no fabrico de implantes ortopédicos e dentários muito devido à sua boa biocompatibilidade e excelente resistência à corrosão. No entanto, o titânio apresenta um módulo de Young elevado (100 GPa) quando comparado com o osso (10 a 30 GPa). As espumas de titânio são consideradas como um biomaterial promissor para diversas aplicações biomédicas, devido à sua capacidade de reduzir a incompatibilidade biomecânica, permitindo o crescimento de novo tecido ósseo e o transporte de fluidos corporais. No entanto, a falta de bioatividade e a baixa resistência ao desgaste são, ainda, as principais preocupações. Este trabalho teve como objetivo o processamento de compósitos in-situ Ti-TiB-TiNx de modo a melhorar as propriedades mecânicas das espumas de titânio. Compósitos in-situ Ti-TiBTiNx foram processadas através da metalurgia dos pós utilizando a técnica de space-holder. O comportamento mecânico das espumas de compósitos foi estudado através de ensaios de compressão e corte. Os resultados mostraram que os materiais compósitos densos e porosos apresentam uma maior dureza. No entanto, os materiais compósitos apresentam valores de resistência à compressão e ao corte mais baixos.