Produção de espumas de titânio puro via compactação uniaxial, método space holder e sinterização assistida por plasma.

Abstract

Nas últimas duas décadas, as espumas de titânio têm atraído um maior interesse da indústria biomédica e da comunidade acadêmica devido à sua excelente biocompatibilidade química e mecânica quando utilizadas como implantes biomiméticos. A estrutura porosa desempenha um papel importante na adesão óssea a um implante, permitindo o seu crescimento no componente. Além disso, os vazios reduzem o módulo de elasticidade, promovendo maior compatibilidade com o osso, evitando o fenômeno chamado de stress shielding. Porém, a produção de espumas de titânio via metalurgia do pó e compressão uniaxial apresenta desafios devido à dificuldade em alcançar uma distribuição uniforme, previsível e estável de porosidade que promova osteointegração, passagem de fluídos e redução do módulo elástico. Nesse sentido, o uso de metalurgia do pó com o uso de espaçadores surge como uma alternativa viável para introdução de porosidade. Este trabalho visa a sinterização de espumas de titânio com e sem adição de space holders, utilizando da metalurgia do pó (PM) assistida por um espaçador. Titânio puro foi usado como material de partida e sal (KCl) foi usado como space holder. A remoção de SH e a sinterização foram realizadas em etapa única em processo assistido por plasma chamado PADS (Plasma Assisted Debinding and Sintering). As amostras foram sinterizadas e analisadas a nível de macroestrutura, a fim de correlacionar a adição de porosidade com as propriedades mecânicas. A formação de poros, porosidade total, distribuição de poros, formação de fases e propriedades mecânicas foram examinadas por microtomografia de raios X, microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV), difração de raios X (DRX), testes de compressão e emissão de ultrassom. Além disso, as espumas foram submetidas a testes de corrosão para estudo de biocompatibilidade. Essas análises foram correlacionadas a fim de validar a aplicação biomédica de espumas de titânio sinterizadas via PADS, e suas vantagens e desvantagens. As amostras com adição de 50% em volume de space holders apresentaram uma fração de volume de porosidade de 46-47%, com poros bem distribuídos e de morfologia semelhante às partículas do space holder. As espumas exibiram módulo de elasticidade de 16,36 GPa e resistência ao escoamento de 69,77 MPa, que demonstraram ser semelhantes às propriedades do osso cortical, sendo consideradas uma ótima escolha para substituição de tecidos duros. As amostras densas e porosas demonstraram passivação e elevada resistência a corrosão em fluido corporal simulado.

In the last two decades, titanium foams have attracted greater interest from the biomedical industry and the academic community due to their excellent chemical and mechanical biocompatibility when used as biomimetic implants. The porous structure plays an important role in bone adhesion to an implant, allowing it to grow into the component. In addition, the voids reduce the modulus of elasticity, promoting greater compatibility with the bone, avoiding the phenomenon known as stress shielding. However, the production of titanium foams via powder metallurgy and uniaxial compression presents challenges due to the difficulty in achieving a uniform, predictable and stable porosity distribution that promotes osseointegration, fluid passage and elastic modulus reduction. In this sense, the use of powder metallurgy with the use of spacers appears as a viable alternative for introducing porosity. This work aims at the sintering of titanium foams with and without the addition of space holders, using powder metallurgy (PM) assisted by a spacer. Pure titanium was used as starting material and salt (KCl) was used as space holder. SH removal and sintering were performed in a single step in a plasma-assisted process called PADS (Plasma Assisted Debinding and Sintering). The samples were sintered and analyzed at the macrostructure level, in order to correlate the addition of porosity with the mechanical properties. Pore formation, total porosity, pore distribution, phase formation and mechanical properties were examined by X-ray microtomography, optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), compression and emission of ultrasound. In addition, the foams were submitted to corrosion tests for the study of biocompatibility. These analyzes were correlated in order to validate the biomedical application of sintered titanium foams via PADS, and its advantages and disadvantages. The samples with the addition of 50% by volume of space holders showed a porosity volume fraction of 46-47%, with well-distributed pores and similar morphology to the space holder particles. The foams exhibited modulus of elasticity of 16.36 GPa and yield strength of 69.77 MPa, which proved to be similar to the properties of cortical bone, being considered an excellent choice for replacement of hard tissues. Dense and porous samples demonstrated passivation and high corrosion resistance in simulated body fluid.