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  06.02.19

Novos materiais para prteses


Projeto de próteses por manufatura aditiva inicia produção de peças; resultados são divulgados nos EUA


O projeto para o desenvolvimento de próteses ortopédicas das ligas Nb-Ti (nióbio-titânio) e Ti-Nb-Zr (titânio-nióbio-zircônio) por fusão seletiva a laser entrou em uma nova fase no Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) com a fabricação das primeiras peças por impressão 3D a partir de pós das ligas dos dois materiais.

A primeira fase do trabalho, iniciado efetivamente em 2017, iniciou-se com a produção dos pós a partir de uma série de exigências necessárias para trabalhar com o sistema de deposição; a segunda fase concentra-se na manufatura aditiva, ou seja, a fabricação e a caracterização das peças, que será seguida pela execução de ensaios mecânicos.

Os pós das ligas estão sendo usados para a construção de próteses de quadril (no caso do projeto, as placas angulares de fêmur). Participam do projeto a Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM), a Associação Brasileira de Pesquisa e Inovação Industrial (Embrapii), a Associação de Assistência à Criança Deficiente (AACD), a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp), o Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Poli-USP e, no IPT, o Laboratório de Processos Metalúrgicos.

O projeto também está contando com a colaboração de quatro bolsistas (um deles, na verdade, concluiu seu trabalho em 2018) da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp), entre eles o engenheiro metalurgista Jhoan Sebastian Guzman Hernández. Em sua área de atuação, um dos grandes desafios é obter peças de alta densidade que permitam incrementar a qualidade final das próteses.

“Estou trabalhando com a liga de nióbio-titânio por conta de sua estrutura cristalina, fazendo a otimização dos parâmetros e a caracterização das propriedades mecânicas das amostras que foram fabricadas a partir destes parâmetros, enquanto outro grupo trabalha com a textura do material, que pode ser controlada na impressão 3D a partir de parâmetros como potência, velocidade e geometria das poças de fusão”, explica ele - as poças são microestruturas tipicas apresentadas nos materiais fabricados por fusão seletiva a laser. "Dependendo da morfologia, é possível controlar a orientação cristalina dos grãos, ou seja, a textura: se os grãos crescem em uma direção, ou em outra, eles apresentam diferentes propriedades mecânicas".

A exploração da rota de impressão tridimensional exige o conhecimento das relações entre os parâmetros de processo e a qualidade da prótese quanto à resistência mecânica, à resistência à corrosão e ao acabamento superficial. A produção de peças em máquinas de impressão pode ser realizada a partir de diversos parâmetros, o que traz mudanças significativas nos resultados finais.

O resultado buscado pelo projeto do IPT é a obtenção de peças não apenas de alta densidade relativa, mas principalmente com baixo módulo de elasticidade (rigidez do material).
Segunda fase concentra-se na manufatura aditiva, ou seja, a fabricação e a caracterização das peças, que será seguida pela execução de ensaios mecânicos
 
As ligas comumente usadas em próteses têm um alto módulo de elasticidade, e estudos recentes apontarem que o nióbio, quando adicionado ao titânio, pode reduzir esse valor.

Para o paciente, a importância do baixo módulo de elasticidade pode ser explicada pelo fato de o padrão normal de solicitação mecânica de um osso ser alterado de modo crítico quando um implante metálico é empregado em cirurgias ortopédicas. O osso e o implante passam a compartilhar o carregamento aplicado e, de acordo com a capacidade de adaptação do osso hospedeiro, pode ocorrer uma redistribuição da massa óssea com desmineralização em regiões próximas ao implante.

“É preciso que o módulo de elasticidade da prótese seja o mais similar ao do osso para que não aconteça o chamado stress shielding, ou seja, a descalcificação”, explica Hernández. “A intenção é que a carga do corpo fique distribuída tanto no osso quanto na liga”.

NOVOS MATERIAIS – A liga nióbio-titânio faz parte da lista de novos materiais que estão sendo propostos atualmente para a construção de próteses – atualmente, o uso dela é restrito praticamente à fabricação de supercondutores. “Além de esta liga apresentar potencialmente baixo módulo de elasticidade, outra de suas vantagens está no fato de serem dois materiais inertes, ou seja, eles não reagem com o corpo humano”, explica Daniel Leal Bayerlein, pesquisador do Laboratório de Processos Metalúrgicos e coordenador do projeto.

A liga mais encontrada hoje no mercado para uso em próteses é formada de titânio-alumínio-vanádio – a dois destes elementos (alumínio e vanádio) diversas pesquisas atribuem serem os agentes causadores de problemas de saúde, como doenças respiratórias, câncer e Mal de Alzheimer, conforme pode ser visto em artigo de Shun Guo, Qingkun Meng, Xinqing Zhao, Qiuming Wei e Huibin Xu disponível abaixo.

Os pós das ligas estão sendo fabricados no IPT pelo processo de hidretação-moagem-dehidretação, mais conhecido como HDH. Com uma estratégia de benchmarking, estes mesmos pós foram produzidos, por encomenda, em uma empresa no Canadá especializada em materiais para manufatura aditiva.

As peças do chamado primeiro lote – que podem ser consideradas como as ‘peças-piloto’ – foram construídas por impressão 3D com duas amostras diferentes de pós: uma primeira quantidade de três quilos foi obtida por HDH no próprio laboratório do IPT, e a segunda a partir do pó importado do Canadá.

Após a fabricação das primeiras peças, que foi executada a partir de diversos parâmetros de potência e de velocidade, o próximo passo é a avaliação dos corpos de prova para escolha daqueles que apresentaram melhor desempenho e, a seguir, a confecção de uma série deles para serem submetidos aos ensaios mecânicos. “Em manufatura aditiva, com novos materiais, é preciso trabalhar com diferentes variáveis para atingir os parâmetros de alta densidade. Não existe uma receita pronta”, ressalta Hernandez.

Para agilizar o processo de moagem do pó e permitir a produção de um material de melhor qualidade, com proteção contra a oxidação, um moinho por jatos (jet mill) chegou ao IPT em dezembro, da Alemanha. A previsão é de funcionamento no mês de fevereiro.

DIVULGAÇÃO EXTERNA – Uma apresentação sobre os primeiros resultados do projeto foi feita em outubro de 2018 na sessão Additive Manufacturing of Metals: Microstructure and Material Properties — Biomedical and Functional AM Materials dentro do Materials Science & Technology (MS&T), realizado na cidade de Columbus, nos EUA. A caracterização metalográfica e algumas caracterizações mecânicas das peças fabricadas no primeiro lote foram mostradas por Hernandez.

“Professores e pesquisadores comentaram que estão buscando alternativas para troca da liga titânio-alumínio-vanádio por outros materiais. Eles não querem usar mais esta liga por conta das implicações no corpo humano; fomos os únicos no congresso a apresentar um estudo sobre a liga nióbio-titânio”, afirma ele. A recepção do trabalho foi também positiva, segundo Hernandez, pelo fato de as peças terem sido fabricadas com o pó obtido por HDH, que é um processo de custo menor em comparação à atomização a plasma. O projeto do IPT tem previsão de finalização no primeiro semestre de 2020.