Ligas Ti-Al-Nb como biomaterial: elaboração, caracterização, modificação eletroquímica da superfície e estudo da biocompatibilidade utilizando culturas primárias de células da medula óssea humana

Abstract

A primeira etapa desta pesquisa constituiu no preparo de ligas Ti-Al-Nb por fusão a Arco e processamento termomecânico por laminação a quente e recozimento. Este estudo caracterizou a morfologia, estrutura e composição dos materiais empregando-se as técnicas LM, SEM-EDS e DRX; foram avaliadas as propriedades mecânicas por ensaios de tração e a resistência à corrosão utilizando medida de OCP, polarização potenciodinâmica e EIS. Os resultados mostraram a influência dos elementos de liga na microestrutura e no comportamento mecânico, revelando que a liga comercial Ti-6Al-7Nb apresentou o melhor conjunto de propriedades. Os ensaios eletroquímicos em solução que simula a agressividade do fluido corporal mostraram pequena influência dos teores de Al e Nb nas correntes de passivação. Contudo, as velocidades de formação e dissolução do filme foram afetadas. O espectro de impedância para a liga Ti-6Al-7Nb demonstrou que um processo de formação e dissolução da camada de óxidos ocorre como função do tempo de imersão. Um estado estacionário entre as velocidades de formação e dissolução foi alcançado ao redor de 140 h e caracterizado por uma espessura limite, que mostrou boa concordância dos resultados calculados por EIS e medidos por TEM. A segunda etapa envolveu a modificação eletroquímica da superfície com o objetivo de obter um filme de óxido anódico que melhore a biocompatibilidade. Estudos de citocompatibilidade foram realizados pelo cultivo de células da medula óssea humana diretamente sobre a superfície do material e em contato com extratos contendo os seus produtos de corrosão, testando-se os efeitos das esterilizações por autoclave e etanol. Os experimentos com os extratos foram realizados expondo as culturas de 14 dias aos extratos metálicos durante 48 h.

The first stage of the investigation consisted in manufacture of Ti-Al-Nb alloys by arc fusion melting and thermo-mechanical processing by hot-rolling and annealing. This study has characterized the morphology, structure and composition of the materials using LM, SEM and X-Ray techniques; the mechanical properties using Strength testing; and the corrosion resistance using OCP, Polarization and EIS electrochemical measurements. The results showed influence of the alloying elements on the microstructure and mechanical behavior and revealed that Ti-6Al-7Nb commercial alloy showed the best whole of properties. Electrochemical testing in a simulated body fluid showed little influence of Al and Nb contents on the passivity currents, however, the film formation and dissolution rates was modified by that ones. The impedance spectra for the Ti-6Al-7Nb alloy demonstrated that a chemical process of oxide layer dissolution-formation occurs as function of the immersion time. A steady-state between the formation and dissolution rates of the oxide film was reached around 140 h and characterized by a thickness limit; there is fairly good agreement between the oxide thicknesses calculated by EIS and measured by TEM. The second stage involved the electrochemical surface modification in order to obtain anodic oxide that improves the biocompatibility. The cytocompatibility studies were performed by seeding human bone marrow cells directly over the metallic surfaces and in contact with extracts containing the corrosion products of the material. Both the sterilization by autoclave and by ethanol was tested. The assays with the extracts were done by exposing 14 days cultures to the metallic extracts during 48 h.