Um estudo concluído em fevereiro último pelo pesquisador Guilherme Arthur Longhitano demonstrou que é possível melhorar as propriedades mecânicas e superficiais de uma liga de titânio utilizada em implantes ortopédicos. A liga de titânio foi submetida a tratamentos térmicos e modificações de superfície após a modelagem e produção por meio de uma técnica de impressão 3D, também conhecida como prototipagem rápida. A pesquisa foi conduzida junto à Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM) da Unicamp.

Como resultado dos seus experimentos, o pesquisador da Unicamp obteve materiais com qualidade superior àqueles não submetidos aos tratamentos, sobretudo no que se refere à durabilidade e adaptação ao corpo. O estudioso e engenheiro mecânico graduado pela FEM aponta as principais vantagens do trabalho.

“Conseguimos ótimos resultados após as modificações no material obtido pela técnica de impressão 3D. Entre os benefícios podemos citar a qualidade final do implante, tanto física quanto estética. Isso permite, por exemplo, a redução no tempo de cirurgia, evitando riscos e diminuindo gastos, além de chances menores de rejeição e maior durabilidade.”

Guilherme Longhitano utilizou tratamentos térmicos, acabamentos de jateamento, ataque químico e polimento eletroquímico na liga de titânio Ti-6Al-4V, uma das mais empregadas em implantes ortopédicos permanentes ou temporários devido à sua biocompatibilidade. 

“Os tratamentos térmicos modificam as propriedades mecânicas do implante e os acabamentos de superfície alteram sua superfície, a qual está diretamente relacionada com a interação do implante com o corpo. Por meio do estudo dessas técnicas é possível a produção de implantes com qualidade superior. Isso permite, por exemplo, uma melhoria na qualidade de vida do paciente e sua reinserção no mercado de trabalho”, afirma.

Os estudos de Guilherme Longhitano integraram dissertação de mestrado apresentada junto ao Programa de Pós-Graduação da FEM. A pesquisa foi orientada pela professora aposentada Maria Clara Filippini Ierardi, do Departamento de Engenharia de Materiais da Unidade. Os materiais utilizados no experimento foram obtidos junto ao Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Biofabricação (INCT-Biofabris), instalado na Unicamp. Houve financiamento da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes).

“O Biofabris trabalha com impressoras 3D na fabricação de implantes, alguns, inclusive já empregados em pacientes do Hospital de Clínicas (HC) aqui da Unicamp. O objetivo da nossa pesquisa, portanto, é melhorar ainda mais esses implantes, que já apresentam um nível de customização muito bom. Fazemos isso seguindo as normas da Sociedade Americana para Testes e Materiais [ASTM, na sigla em inglês], de modo que, futuramente, eles possam ser empregados comercialmente”, esclarece o engenheiro mecânico.

Os seus trabalhos têm sequência, no momento, com o início da sua tese de doutoramento. “Trata-se de uma continuação do estudo com implantes produzidos por impressoras 3D, sendo que desta vez o foco é produzir implantes porosos que se adequem melhor às propriedades do osso humano. Além disso, será associada à técnica de funcionalização nessas estruturas porosas, com o objetivo de melhorar a resposta biológica do implante no corpo, através da incorporação de propriedades antibacterianas e favorecimento da osseointegração, por exemplo.”

DUCTILIDADE E RUGOSIDADE

Conforme o pesquisador da FEM, um resultado importante dos seus estudos foi o aumento de uma propriedade mecânica da liga de titânio, denominada tecnicamente como ductilidade. Trata-se de uma propriedade que representa o grau de deformação que um material suporta até o momento da sua fratura.

“Um material com grau de ductilidade baixo vai deformar pouco e se romper precocemente. Já uma liga mais dúctil vai deformar bastante antes de se romper. Quanto mais dúctil o material, melhor. Pense, por exemplo, que o corpo humano está sujeito a práticas esportivas e atividades de locomoção. Um implante, quando está em nosso corpo, fica sujeito a esforços cíclicos e mecânicos. E quanto mais ductilidade tiver o material, maior será sua confiabilidade”, explica.

Ele informa que após o tratamento térmico, a ductilidade da liga de titânio praticamente dobrou, passando de 6% para 11%. Guilherme Longhitano acrescenta que, além da melhora da ductilidade, houve um ganho importante no controle da rugosidade, que é outra propriedade relevante da superfície do material a ser empregado em um implante.

O engenheiro mecânico relata que os acabamentos de superfície na liga de titânio permitiram um controle maior nos valores de rugosidade. Este controle possibilita, por exemplo, a obtenção de um valor específico nesta medida, de modo a produzir implantes ainda mais customizados às necessidades do paciente. Nos acabamentos de superfície, o menor valor de rugosidade foi obtido após as etapas de jateamento e ataque químico combinadas. 

“A combinação de jateamento com ataque químico gerou os menores valores de rugosidade. Enquanto o jateamento é responsável por reduzir a rugosidade e deixá-la mais uniforme, o ataque químico efetua uma limpeza na superfície e reduz ainda mais a rugosidade. O polimento eletroquímico apresentou um acabamento espelhado, que por outro lado mostrou altos valores de rugosidade.”

Em relação ao tratamento térmico, que consistiu em modificar a estrutura da liga de titânio por meio de aquecimento e resfriamento, foi constatado que a condição ideal para as propriedades mecânicas foi a 950 ºC. As amostras foram submetidas aos tratamentos térmicos nas temperaturas de 850 ºC, 950 ºC e 1050 ºC, durante uma hora, com resfriamento em forno.

TÉCNICAS UTILIZADAS

As modificações resultantes após os tratamentos térmicos e acabamentos de superfície foram analisadas por meio da microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura, difração de raios-X, medidas de rugosidade e massa, microdureza Vickers, e ensaios de tração e compressão. Houve a colaboração do Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano), vinculado ao Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM); do Instituto de Física ‘Gleb Wataghin’ (IFGW); e da Faculdade de Engenharia Química (FEQ), este dois últimos, da Unicamp.

A técnica de impressão 3D utilizada para obter a liga de titânio empregada na pesquisa é denominada como Sinterização Direta de Metais por Laser (DMLS). Guilherme Longhitano explica as principais diferenças deste método em relação aos processos convencionais para obtenção de peças de implantes.

“Na técnica convencional são utilizados implantes em tamanhos padronizados, que não se adequam perfeitamente às necessidades de um paciente. Quando utilizada a produção de implantes por impressoras 3D, é utilizado toda uma metodologia para obtenção de implantes customizados: o paciente é submetido à tomografia computadorizada; em seguida os dados e imagens são transformados em um modelo de desenho em 3D; em seguida são produzidos biomodelos destes implantes. Estes modelos são feitos em materiais de baixo custo e servem para o médico planejar a cirurgia. Somente depois o implante é produzido em metal (no caso, a liga Ti-6Al-4V), esterilizado e então implantado.”

Publicações

LONGHITANO, G. A. ; LAROSA, M. A. ; JARDINI, A. L. ; ZAVAGLIA, C. A. C. ; IERARDI, M. C. F. . ACABAMENTOS DE SUPERFÍCIE DA LIGA TI-6AL-4V PRODUZIDA POR SINTERIZAÇÃO DIRETA DE METAIS POR LASER. In: XXXV Congresso Brasileiro de Aplicações de Vácuo na Indústria e na Ciência/ 1º Congresso Ibero-Americano de Superfície, Materiais e Aplicações de Vácuo, 2014, Natal - RN. XXXV Congresso Brasileiro de Aplicações de Vácuo na Indústria e na Ciência/ 1º Congresso Ibero-Americano de Superfície, Materiais e Aplicações de Vácuo, 2014.

Dissertação: “Estudo de tratamentos térmicos e acabamentos de superfície na liga Ti-6Al-4V produzida via DMLS para aplicação em implantes”

Autor: Guilherme Arthur Longhitano

Orientadora: Maria Clara Filippini Ierardi

Unidade: Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM)

Financiamento: Capes