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Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Depto de Engenharia Química Prof. Dr. Mário José Dallavalli BIOMATERIAIS E BIOMECÂNICA TQ-064 Biomateriais Metálicos 1 Metais como Materiais Biocompatíveis • Aplicações dos Metais – Substituição de ossos – Reparação de ossos – Placas metálicas para fraturas, etc. – Implantes dentários, enchimento e pinos – Parafusos e grampos Partes de outros dispositivos – – – – Corações artificiais – bombas Marca-passos Cateteres Extensores (stents) Biomateriais Metálicos Obtenção e processamento dos Metais • Mineração e purificação do minério • Metais brutos e formas de estocagem • Tarugos e chapas – usinagem, conformação, estampagem, etc • formas e dispositivos preliminares • Processamento • Acabamento e tratamento de superfície Biomateriais Metálicos 2 Metais mais usados como Biomateriais • Assuntos relacionados aos Metais como Biomateriais – Identidade química (ligas) – Cristalografia – Fases presentes na microestrutura – Grãos e tamanho de grão – Quantidade, distribuição e orientação das fases - Propriedades dos metais Biomateriais Metálicos • Aço Inoxidável • Ligas a base de Cobalto – Sempre misturado com cromo • Ligas a base de Titânio – Muito leve com relativa alta resistência – Conteúdo de oxigênio afeta a resistência – Relativamente puro Biomateriais Metálicos • Metais nobres - Au, Au, Pt, Pd, Ir – Caros e com propriedades pobres como materiais – Usados em eletrodos – elevada resistência a corrosão • Mercúrio – Amalgama dentário – Amalgamas - é toda liga metálica em que um dos metais envolvidos está em estado líquido, geralmente o mercúrio – Metais formadores - mercúrio, prata e estanho, podendo haver também o zinco e cobre Biomateriais Metálicos 3 Aço Inoxidável • Inúmeras variedades existentes • Ligas de baixo teor de carbono mais usadas – Altos teores de carbono causam corrosão do ferro • Misturas de Fe, Cr, e Ni • O cromo oxida para limitar a corrosão – Por que a corrosão é indesejada? – Lixiviação para o corpo – Formação de trincas e fadiga AÇOS Aços - ligas Fe-C que podem conter outros elementos. – Propriedades mecânicas dependem da %C. %C < 0.25% => baixo carbono 0.25% < %C < 0.60% => médio carbono 0.60% < %C < 1.4% => alto carbono Aços carbono – Baixíssima concentração de outros elementos. Aços liga – Outros elementos em concentração apreciável. Biomateriais Metálicos • Presença de altos teores de cromo reduz a resistência • Níquel adicionado para aumento de resistência – Estabiliza a austenita • Quanto menores os grãos, maior a resistência – Como ajustar o tamanho de grão? Biomateriais Metálicos 4 Corrosão • Metais degradam a óxidos, hidróxidos e outros compostos • Fenômeno oposto a de uma bateria • Fluidos biológicos contem água, oxigênio dissolvido, íons, etc. - Mistura muito agressiva • Corrosão é um dos aspectos mais importantes da Biocompatibilidade dos metais Corrosão Corrosão em superfície Biomateriais Metálicos • Mecanismo da corrosão – O estado de menor energia é o estado oxidado – Átomos dos metais ionizam, entram em solução e combinam com o oxigênio Equação geral da formação da ferrugem Fe (s) ---> Fe2+ + 2e- (oxidação do ferro) O2 + 2H2O + 4e- ---> 4OH- (redução do oxigênio) 2Fe + O2 + 2H2O ---> 2Fe(OH)2 – Similarmente a ferrugem no ferro: os metais “escamam” • A tendência a corrosão é baseada na série eletroquímica Biomateriais Metálicos • Série eletroquímica (H=0) – Au > Ag > H > Fe > Ti > Al > Na > Li – Metais nobres possuem potencial de Nernst positivo, sendo imune a corrosão • Metais com potencial negativo se tornam anodos • Corrosão galvânica envolve dois metais similares – O processo é muito mais rápido do que se utilizado um único metal – Devemos evitar metais misturados!!!!!! Série Eletroquímica Element Reaction Electrode Potential (V) Gold Au++e- = Au 1.692 Gold Au3++3e- = Au 1.498 Platinum Pt2++2e- = Pt 1.18 Palladium Pd2++2e- = Pd 0.951 Silver Ag++e- = Ag 0.7996 Copper Cu++e- = Cu 0.521 Copper Cu2++2e- = Cu 0.3419 Hydrogen (acid) 2H++2e- = H2 0 Iron Fe3++3e- = Fe -0.037 Lead Pb2++2e- = Pb -0.1262 Tin Sn2++2e- = Sn -0.1375 Nickel Ni2++2e- = Ni -0.257 Cobalt Co2++2e- = Co -0.28 Cadmium Cd2++2e- = -0.403 Iron Fe2++2e- = Fe -0.447 Chromium Cr3++3e- = Cr -0.744 Zinc Zn2++2e- = Zn -0.7618 Chromium Cr2++2e- = Cr -0.913 Manganese Mn2++2e- =Mn -1.185 Titanium Ti3++3e- = Ti -1.37 Corrosão galvânica Um exemplo de uma reação eletroquímica é a pilha galvânica, que gera energia elétrica a partir da reação entre ácido sulfúrico, cobre e zinco Biomateriais Metálicos • Potencial galvânico em um único metal • Filmes passivadores podem limitar a corrosão (camadas de óxidos), mas também podem ser trincadas • Os diagramas de Pourbaix mostram regiões de corrosão, passivação e imunidade e como elas dependem do potencial de eletrodo e do pH – Logo regiões diferentes do corpo afetam o processo da corrosão diferentemente – Feridas e infecções podem mudar dramaticamente o pH Diagrama de Pourbaix para Corrosão Biomateriais Metálicos Corrosão e fadiga podem ser efeitos sinérgicos – Testes devem sempre ser realizados em meios e condições fisiológicas • Impressão na superfície do metal pode quebrar a passivação • Pitting é corrosão em uma área localizada (variação da conc. de oxigênio – corrosão galvânica) • Problema importante é assegurar que parafusos, porcas e chapas sejam do mesmo metal (corrosão galvânica) • Os cirurgiões devem ter extremo cuidado para não arranhar a superfície do metal Fim Até a próxima aula
