Universidade Federal do Paran Setor de Tecnologia Depto

Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Depto de Engenharia Química Prof. Dr. Mário José Dallavalli BIOMATERIAIS E BIOMEC NICA 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, 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 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) ---> Fe 2+ + 2 e- (oxidação do ferro) O 2 + 2 H 2 O + 4 e- ---> 4 OH- (redução do oxigênio) 2 Fe + O 2 + 2 H 2 O ---> 2 Fe(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 Au 3++3 e- = Au 1. 498 Platinum Pt 2++2 e- = Pt 1. 18 Palladium Pd 2++2 e- = Pd 0. 951 Silver Ag++e- = Ag 0. 7996 Copper Cu++e- = Cu 0. 521 Copper Cu 2++2 e- = Cu 0. 3419 Hydrogen (acid) 2 H++2 e- = H 2 0 Iron Fe 3++3 e- = Fe -0. 037 Lead Pb 2++2 e- = Pb -0. 1262 Tin Sn 2++2 e- = Sn -0. 1375 Nickel Ni 2++2 e- = Ni -0. 257 Cobalt Co 2++2 e- = Co -0. 28 Cadmium Cd 2++2 e- = -0. 403 Iron Fe 2++2 e- = Fe -0. 447 Chromium Cr 3++3 e- = Cr -0. 744 Zinc Zn 2++2 e- = Zn -0. 7618 Chromium Cr 2++2 e- = Cr -0. 913 Manganese Mn 2++2 e- =Mn -1. 185 Titanium Ti 3++3 e- = 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 p. H – Logo regiões diferentes do corpo afetam o processo da corrosão diferentemente – Feridas e infecções podem mudar dramaticamente o p. H

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