Espumas de CP-Ti e Ti-13Ta-6Sn produzidas via metalurgia do pó, método space holder e sinterização assistida por plasma para aplicações biomédicas

Abstract

A metalurgia do pó é uma rota de processamento frequentemente utilizada na indústria devido à sua capacidade de produzir, com reprodutibilidade, componentes complexos próximos da sua forma final com alta precisão dimensional e de composição química. Um exemplo desses componentes são as espumas metálicas, que apresentam uma estrutura altamente complexa resultante de uma macroporosidade aberta e interconectada que têm atraído maior interesse da indústria biomédica devido às excelentes características de biocompatibilidade. Este trabalho consistiu em produzir espumas altamente porosas, com arquitetura porosa controlável, à base de titânio puro (CP-Ti) e de uma nova liga Ti-13Ta-6Sn, com características vantajosas sobre o CP-Ti, para aplicações biomédicas via compactação de pós com adição de space holders e sinterização assistida por plasma. Os resultados mostraram que as espumas altamente porosas sinterizadas a plasma exibiram menor retração volumétrica, estabilidade dimensional e maior porosidade quando comparada com a sinterização convencional e foi capaz de extrair o KCl como space holder em um único ciclo. A liga de Ti-13Ta-6Sn foi produzida via moagem de alta energia obtendo-se a fase Ti-ß, com menor módulo elástico, maior dureza e maior limite de escoamento que o CP-Ti. Após a aplicação do método space holder, as espumas exibiram arquitetura porosa interconectada com valores de porosidade em volume equivalentes a adição do space holder. Além disso, os poros retiveram a forma e a distribuição de tamanho da partícula (180-600 µm) de KCl, com a liga apresentando maior homogeneidade na estrutura porosa. A adição de porosidade foi capaz de reduzir o valor do módulo elástico das espumas para o intervalo dos ossos cortical (< 30 GPa) e trabecular do corpo humano (< 4 GPa). A liga Ti-13Ta-6Sn demonstrou um potencial de passivação maior que o CP-Ti em fluido corporal simulado, inclusive nas amostras porosas. Por fim, a liga Ti-13Ta-6Sn não exibiu toxicidade em teste in vitro com fibroblastos de camundongo, exibindo um potencial promissor para aplicações biomédicas.

Abstract: Powder metallurgy is a processing route frequently used in industry due to its ability to reproducibly produce complex components close to their final form with high dimensional and chemical composition precision. An example of these components are metallic foams, which have a highly complex structure resulting from an open and interconnected macroporosity that have attracted greater interest from the biomedical industry due to their excellent biocompatibility characteristics. This work consisted of producing highly porous foams, with controllable porous architecture, based on pure titanium (CP-Ti) and a new Ti-13Ta-6Sn alloy, with advantageous characteristics over CP-Ti, for biomedical applications via compaction of powders with the addition of space holders and plasma-assisted sintering. The results showed that the plasma-sintered highly porous foams exhibited lower volumetric shrinkage, dimensional stability and greater porosity when compared to conventional sintering and were able to extract KCl as a space holder in a single cycle. The Ti-13Ta-6Sn alloy was produced via high-energy milling, obtaining the Ti-ß phase, with a lower elastic modulus, higher hardness and higher yield strength than CP-Ti. After applying the space holder method, the foams exhibited interconnected porous architecture with porosity values in volume equivalent to the addition of the space holder. Furthermore, the pores retained the shape and particle size distribution (180-600 µm) of KCl, with the alloy showing greater homogeneity in the porous structure. The addition of porosity was able to reduce the value of the elastic modulus of the foams for the cortical (< 30 GPa) and trabecular bone range of the human body (< 4 GPa). The Ti-13Ta-6Sn alloy demonstrated a higher passivation potential than CP-Ti in simulated body fluid, including porous samples. Finally, the Ti-13Ta-6Sn alloy did not exhibit toxicity in an in vitro test with mouse fibroblasts, showing good potential for biomedical applications.