Estruturas celulares multimaterial obtidas por manufatura aditiva para aplicações biomédicas

Abstract

Nos últimos anos, o aumento do número de artroplastias totais da anca realizadas para colocação/substituição de próteses levou à procura de novas alternativas aos materiais utilizados no fabrico destas próteses. Apesar da biocompatibilidade dos materiais utilizados atualmente no fabrico destes implantes, existem ainda problemas como o stress shielding causam regressão óssea e consequente folga entre implante e osso, ditando a necessidade de uma cirurgia de revisão. A utilização de estruturas celulares fabricadas nestes materiais é uma solução para este problema, uma vez que permite reduzir o módulo de elasticidade para valores mais próximos daquele exibido pelo osso cortical. A presente dissertação dividiu-se em dois estudos, que contemplam novos designs de materiais: estruturas celulares de Ti6Al4V impregnadas com um material biocompatível (PEEK) e estruturas celulares de Ti6Al4V impregnadas com um material bioativo (Biovidro 45S5). As estruturas celulares foram produzidas por um método de manufatura aditiva camada a camada, SLM (Selective Laser Melting), em que se produziram estruturas com dimensões de paredes e de furos diferentes (300 μm de parede e 350, 400, 450 e 500 μm de furo). Num primeiro grupo as estruturas celulares, numa primeira fase foram impregnadas por com PEEK usando um equipamento de sinterização assistida por pressão (Hot Pressing). Num segundo grupo de estruturas multimaterial, foi feita uma impregnação com Biovidro 45S5 pela técnica Press and Sintering utilizando temperaturas de sinterização de 500, 550 e 600°C. As estruturas celulares de Ti6Al4V e as estruturas híbridas Ti6Al4V/PEEK foram sujeitas a testes de desgaste de forma a averiguar se o desempenho tribológico destas estruturas celulares é melhorado quando reforçadas este polímero biocompatível. Quanto às estruturas de Ti6Al4V reforçadas com biovidro 45S5 foi feito um estudo inicial da cristalização do biovidro através da análise de difração de raio X uma vez que a cristalinidade está diretamente relacionada com a bioatividade. Este estudo permitiu concluir que as estruturas impregnadas com PEEK apresentam um melhor comportamento ao desgaste, permitindo uma proteção das estruturas. Por outro lado, quando impregnadas com Biovidro 45S5 foi possível aferir as temperaturas em que o Biovidro 45S5 apresenta fases cristalinas, sendo que a partir de 600 °C este material apresenta, embora com baixa intensidade, a fase cristalina Na2CaSi2O6.

In recent years, the increase in the number of total hip arthroplasties performed for prosthesis placement/replacement has led to the search for new alternatives to the materials used in prostheses. Even though the biocompatibility of the materials used today on these implants, problems like stress shielding cause bone recession and implant loosening, imposing the need for a revision surgery. The use of cellular structures made of these materials is a solution for this problem, once it allows reducing the elastic modulus to values close to that of cortical bone. This dissertation consisted of two studies, new material designs consisting of Ti6Al4V cell structures impregnated with a biocompatible material (PEEK) and a bioactive material (Bioglass 45S5). The cellular structures were produced by a layer-by-layer additive manufacturing method, SLM (Selective Laser Melting), in which structures with different wall and hole sizes were produced (300 μm wall and 350, 400, 450 and 500 μm hole). For the first group of multi-material structures, the impregnation with PEEK was performed by using a pressure assisted sintering equipment (Hot Pressing). As for the second group of structures, these were impregnated with Bioglass 45S5 by Press and Sintering technique, at sintering temperatures of 500, 550 and 600 °C. The cellular structures of Ti6Al4V and the Ti6Al4V / PEEK hybrid structures were subjected to wear tests in order to evaluate if the tribological performance of these cellular structures is improved when reinforced with this biocompatible polymer. As for the structures of Ti6Al4V reinforced with 45S5 bioglass, an initial study of the crystallization of the bioglass was carried out by X-ray diffraction since bioglass crystallinity is directly related to its bioactivity. This study allowed concluding that structures impregnated with PEEK present improved wear behaviour, allowing a protection of the structures. On the other hand, when impregnated with Bioglass 45S5 it was possible to measure the temperatures in which the Bioglass 45S5 presents crystalline phases, from 600 °C this material presents, although with low intensity, the crystalline phase Na2CaSi2O6.