Liga de Ti-13Ta-6Sn produzida via moagem de alta energia e sinterização assistida por plasma para aplicações biomédicas

Abstract

O crescimento contínuo da população idosa tem aumentado a incidência de problemas ósseos, elevando a demanda por implantes médicos avançados e biocompatíveis. O Titânio comercialmente puro (Ti-CP) e a liga Ti6Al4V, tradicionalmente usados em implantes, apresentam módulo de elasticidade mais alto do que o osso humano, o que pode levar à redistribuição inadequada de cargas, resultando na reabsorção óssea ao redor do implante, conhecida como stress shielding. Além disso, preocupações com a liberação de íons de alumínio e vanádio a partir da liga têm levantado questões sobre a biocompatibilidade a longo prazo, potencialmente causando reações adversas nos pacientes. Para abordar essas questões, este estudo investiga a produção de espumas de Ti13Ta6Sn através de compactação uniaxial, método space holder e sinterização assistida por plasma. As espumas de titânio têm atraído maior interesse na indústria biomédica devido à sua excelente biocompatibilidade mecânica quando utilizadas como implantes biomédicos. A estrutura porosa desempenha um papel crucial na adesão óssea ao implante, permitindo o crescimento do osso no componente. Os vazios na estrutura reduzem o módulo de elasticidade, promovendo uma maior compatibilidade com o osso e evitando o stress shielding. A produção de espumas de titânio altamente porosas via metalurgia do pó e compressão uniaxial enfrenta desafios devido à dificuldade em alcançar uma distribuição uniforme, previsível e estável de porosidade. O uso de metalurgia do pó com o método space holder surge como uma alternativa viável para a introdução de porosidade. Este processo envolve a compactação das amostras com a adição de espaçadores, seguida pela sinterização. Neste trabalho, as amostras de Ti13Ta6Sn foram analisadas quanto às propriedades mecânicas, como limite elástico, limite de escoamento, resistência ao desgaste e porosidade. A liga Ti13Ta6Sn resultou na formação da fase Ti-β, que apresentou um menor módulo elástico nas amostras densas. Utilizando o método space holder, as espumas exibiram uma arquitetura porosa controlável e interconectada. As amostras com frações de 50 e 70% em volume de SH foram suficientes para reduzir o módulo elástico para o intervalo do osso cortical humano (< 30 GPa). A fração de 80% em volume de SH foi capaz de produzir espumas com módulo elástico dentro do intervalo do osso trabecular humano (< 4 GPa). Além disso, a liga Ti13Ta6Sn demonstrou uma resistência ao desgaste superior em comparação com o Ti-CP.

The continuous growth of the elderly population has increased the incidence of bone problems, raising the demand for advanced and biocompatible medical implants. Commercially pure titanium (Ti-CP) and the Ti6Al4V alloy, traditionally used in implants, have a higher modulus of elasticity than human bone, which can lead to inadequate redistribution of loads, resulting in bone resorption around the implant, known as stress shielding. In addition, concerns about the release of aluminum and vanadium ions from the alloy have raised questions about long-term biocompatibility, potentially causing adverse reactions in patients. To address these issues, this study investigates the production of Ti13Ta6Sn foams through uniaxial compaction, space holder method and plasma assisted sintering. Titanium foams have attracted increased interest in the biomedical industry due to their excellent mechanical biocompatibility when used as biomedical implants. The porous structure plays a crucial role in bone adhesion to the implant, allowing bone to grow into the component. The voids in the structure reduce the modulus of elasticity, promoting greater compatibility with the bone and preventing stress shielding. The production of highly porous titanium foams via powder metallurgy and uniaxial compression faces challenges due to the difficulty in achieving a uniform, predictable and stable distribution of porosity. The use of powder metallurgy with the space holder method has emerged as a viable alternative for introducing porosity. This process involves compacting the samples with the addition of spacers, followed by sintering. In this work, Ti13Ta6Sn samples were analyzed for mechanical properties such as elastic limit, yield limit, wear resistance and porosity. The Ti13Ta6Sn alloy resulted in the formation of the Ti-β phase, which had a lower elastic modulus in the dense samples. Using the space holder method, the foams exhibited a controllable and interconnected porous architecture. Samples with SH volume fractions of 50 and 70% were sufficient to reduce the elastic modulus to the range of human cortical bone (< 30 GPa). The 80% volume fraction of HS was able to produce foams with an elastic modulus within the range of human trabecular bone (< 4 GPa). In addition, the Ti13Ta6Sn alloy demonstrated superior wear resistance compared to Ti-CP.