Projeto, manufatura e validação mecânica de uma solução multimaterial (liga Ti6AI4V e CoCr) para implantes de anca

Abstract

A necessidade de soluções para a mobilidade humana é uma constante no desenvolvimento científico. Os implantes de anca e os seus componentes continuam em constante evolução, pelo que a descoberta de soluções mais resistentes e mais duradouras, capazes de providenciar mais conforto para o paciente, são urgentes. A maioria das soluções existentes tem como base a utilização de componente monomaterial, seja ele metálico, cerâmico ou polimérico que dificilmente responde a todas as necessidades da aplicação e do paciente. Esta dissertação surge com o objetivo de solucionar os problemas existentes no componente acetabular do implante de anca, através de uma solução disruptiva capaz de combinar diferentes materiais, e suas diferentes propriedades intrínsecas, em distintas zonas de um mesmo componente. Esta solução é apenas possível recorrendo a uma tecnologia de manufatura inovadora: Multimaterial Laser Powder Bed Fusion. Neste estudo investigou-se a combinação de duas ligas metálicas: liga Ti6Al4V que apresenta uma excelente resistência mecânica bem como uma excelente biocompatibilidade, sendo por isso indicada para a integração óssea; liga CoCr que possui uma excelente resistência ao desgaste bem como propriedades antibacterianas, indicadas para o contacto constante e necessário da articulação da anca. Foram produzidas amostras monomaterial de CoCr e de Ti6Al4V (amostras controlo) e amostras multimaterial Ti6Al4V-CoCr. No fabrico das amostras multimaterial recorreram-se a estratégias de otimização da interface bem como a geometrias de interlocking mecânico entre ambos os materiais, ambicionando sucesso na produção de amostras com resistência mecânica. As amostras foram analisadas recorrendo à Microscopia Eletrónica de Varrimento para análise morfológica, observação de defeitos, sendo que as propriedades mecânicas foram determinadas através de ensaios de corte, com foco na análise da resistência da transição entre os materiais distintos. Os resultados obtidos indicam que esta combinação de materiais apresenta capacidade para ser adotada numa solução prostética, pelo que entre os grupos de amostras produzidos, a melhor alternativa garante uma resistência de 337,27 MPa comparativamente ao osso com 40,95 MPa. Estes resultados validam a/o capacidade/potencial da tecnologia Multimaterial Laser Powder Bed Fusion gerar soluções de engenharia baseadas num conceito multimaterial, o material adequado no local necessário.

Achieving the solutions for better human mobility is a constant research endeavour. The hip joints are in the epicentre of human locomotion, which equates to an urgent need to obtain more appropriate, resistant, long lasting, and comfortable solutions for hip implants and their components. Most of the existing solutions use monomaterial components manufactured from either a metal or a ceramic or a polymer. These existing solutions hardly fulfil all the necessary requirements for the application and the patient. This thesis emerges with the objective to solve the existing problems in the acetabular component of the hip implant through a disruptive solution capable of combining different materials for various zones of the implant. This solution is only possible though the use of an innovative manufacturing technology: Multimaterial Laser Powder Bed Fusion. In this study, we focus on the use of a Titanium alloy (Ti6Al4V) and a Cobalt alloy (CoCr). The Ti6Al4V alloy imparts great mechanical properties and biocompatibility, which is a requirement for proper bone integration. On the other hand, the CoCr alloy possesses better wear resistance and antibacterial properties, advantageous for the inherent contact and friction required in the hip joint. Various monomaterial samples of CoCr and Ti6Al4V were produced (control specimens), along with multimaterial samples Ti6Al4V-CoCr. Different optimization strategies, as well as geometric interlocking structures between both materials at the interface, allowed the successful production of mechanically adequate testing samples. Scanning Electron Microscopy analysed the visual morphological quality and presence of defects and cracks, whereas the mechanical properties were determined by the shear tests. The shear tests were focused on the resistance of the transition between both materials. The results obtained indicate that this material combination of Ti6Al4V and CoCr is valid and adequate for a prosthetic solution. The best results obtained present a maximum shear stress value of 337,27 MPa, which is vastly superior to the maximum shear stress value of the human bone, 40,95 MPa. These results therefore validate the proposition presented in the beginning of this thesis, a multimaterial prosthesis is possible and adequate.