aula_3__bioateriais_metalicos

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Materiais Metálicos Materiais Metálicos 
e Aplicação como
Biomateriais
Materiais Metálicos – ciência Materiais Metálicos – ciência 
Aplicação como
Biomateriais
BIBLIOGRAFIABIBLIOGRAFIA
Professora Ésoly Santos
BIBLIOGRAFIA
ORÉFICE, R. L. PEREIRA, M.M. MANSUR, H. S. 
Fundamentos e Aplicações, 1 Edição, Cultura 
Médica:Guanabara Koogan, 2012
CALLISTER, W.D. Ciência e Engenharia dos MateriaisCALLISTER, W.D. Ciência e Engenharia dos Materiais
Edição, LTC, 2000
BIBLIOGRAFIA
MANSUR, H. S. Biomateriais: 
, 1 Edição, Cultura 
, 2012
Ciência e Engenharia dos Materiais, 5ª Ciência e Engenharia dos Materiais, 5ª 
Professora Ésoly Santos
Evolução no desenvolvimento e aplicação de 
• Suturas de linho e ouro no Antigo Egito (2000 
intestino de gatos na Europa, durante a Idade 
• Dentes artificiais feitos de conchas pelos maias (600 
AC), de ferro pelos franceses (200 
madeira pelos romanos, chineses e astecas.
• Substitutos ósseos feitos de madeira também foram • Substitutos ósseos feitos de madeira também foram 
encontrados no
• Antigo Egito e na Europa, na Idade Média,
Evolução no desenvolvimento e aplicação de biomateriais
linho e ouro no Antigo Egito (2000 a.C) e de 
Europa, durante a Idade Média.
de conchas pelos maias (600 
franceses (200 a.C) e de ouro e 
madeira pelos romanos, chineses e astecas.
Substitutos ósseos feitos de madeira também foram Substitutos ósseos feitos de madeira também foram 
Antigo Egito e na Europa, na Idade Média,
Evolução no desenvolvimento e aplicação de 
Inicialmente
Evolução no desenvolvimento e aplicação de biomateriais
Etapas do ciclo de vida de um Etapas do ciclo de vida de um biomaterial
Biomateriais
■ Substituição de ossos
■ Reparação de ossos
Placas metálicas para fraturas,■ Placas metálicas para fraturas,
■ Implantes dentários, enchimento e
■ Parafusos e grampos
■ Partes de outros dispositivos
Q Corações artificiais – bombas
Q Marca-passosQ Marca-passos
Q Cateteres
Q Extensores (stents)
Biomateriais Metálicos
fraturas, etc.fraturas, etc.
dentários, enchimento e pinos
dispositivos
bombas
Aplicações
Tubos médicos
Cateter
Aplicações
extensores
Propriedades físicas dos
■ Brilho
■ Bons condutores de calor e
■ Alta densidade
■ Alto ponto de fusão
■ Dúcteis
■ Alta tenacidade■ Alta tenacidade
■ Alta resistência
Propriedades físicas dos metais
calor e eletricidade
Propriedades Químicas dos
■ Facilidade de perder
■ Superfície reativa
■ Perda de massa
CORROSÃO
Propriedades Químicas dos metais
perder elétrons;
reativa
massa
CORROSÃO
Metais Usados na
■ Aços inoxidáveis principalmente 
austeníticos do tipo 316Lausteníticos do tipo 316L
■ Ligas Co-Cr-Mo, Co-Ni
■ Titânio puro e Ti-6Al-4V
■ Aplicação em ortopedia: 
e elementos estruturais 
Metais Usados na medicina
principalmente os 
316L316L
Ni-Cr-Mo
4V
ortopedia: próteses articuladas 
e elementos estruturais de fixação
Metais Usados na
Metais nobres - Au, Pt, Pd,
Q Caros e com propriedades pobres como
Q Usados em eletrodos – elevada 
■ Mercúrio – Amalgama dentário
Q Amalgamas - é toda liga metálica 
metais envolvidos está em estado 
mercúrio
Metais formadores - mercúrio, prata Q Metais formadores - mercúrio, prata 
estanho, podendo haver também o 
e cobre
Metais Usados na medicina
Pd, Ir
pobres como materiais
elevada resistência a corrosão
dentário
liga metálica em que um dos
em estado líquido, geralmente o
prata e prata e 
podendo haver também o zinco
Metais Usados na
■ Fratura mecânica
■ Fadiga
■ Desgaste
■ Corrosão
■ Combinação destes eventos
Metais Usados na Medicina
eventos
Aços Inoxidáveis
■ Ligas a base cromo (acima 
■ Resistência a corrosão
presença de oxigênio
de óxido de cromo
■ Os mais usados: aços 
austeníticos
Estrutura CFC Q Estrutura CFC 
Q Não-magnética 
Q 18% Cr e 8% Ni
Inoxidáveis
(acima de 12%)
corrosão – o cromo forma na
uma camada delgada
aços inoxidáveis 
Aços Inoxidáveis para
■ Estrutura deve ser totalmente
■ Tamanho de grão deverá ser igual 
que 5 (NBR6000/80)
■ Tem limitação nos teores 
■ Substituição do Ni por■ Substituição do Ni por
teores de Mn – Ni provoca
alergênica em muitos
Aços Inoxidáveis para implantes
ser totalmente austenítica
deverá ser igual ou menor 
limitação nos teores de impurezas
por N e elevação dospor N e elevação dos
provoca uma resposta
hospedeiros
ExercícioExercício
Mecanismos de endurecimento 
■ Macios e dúcteis – transformação
Endurecidos – para resistir ■ Endurecidos – para resistir 
serviço
■ Os metais são endurecidos quando o 
das discordâncias é restringido
■ Os principais métodos de 
Q Por solução sólida
Q Por deformação
Q Por refino de grão
Q Por precipitação
endurecimento em metais
transformação
para resistir as tensões aplicadas em para resistir as tensões aplicadas em 
endurecidos quando o movimento 
restringido
de endurecimento são:
■ Os átomos de soluto podem 
tração (átomos menores) 
Endurecimento por 
tração (átomos menores) 
(átomos maiores) na rede
■ Os átomos de soluto se 
próximo às discordâncias de forma 
minimizar a energia total 
podem causar tanto 
menores) como compressão 
Endurecimento por solução sólida
menores) como compressão 
rede cristalina
soluto se alojam na rede 
próximo às discordâncias de forma a 
total do sistema
Endurecimento por 
Deformação por Tração imposta 
por um átomo de menor 
tamanho
Quando um átomo de uma 
o movimento da discordância 
deve-se fornecer energia adicional 
havendo escorregamento. 
de metais são sempre mais resistentes que seus 
metais puros constituintes
Endurecimento por solução sólida
Deformação por compressão 
imposta por um átomo de 
maior tamanho
átomo de uma impureza esta presente,
da discordância fica restringido, ou seja, 
adicional para que continue 
havendo escorregamento. Por isso soluções sólidas 
sempre mais resistentes que seus 
Endurecimento por SoluçãoEndurecimento por Solução Sólida
Endurecimento por 
■ Usado na Odontologia:
Q Ouro puro é muito macio
Q Adição de Ag e de outros elementos 
Pd, Pt aumentam sua resistência e melhora sua 
deformabilidade
Q Ag – raio atômico maior 
Q Cu – raio atômico menor Q Cu – raio atômico menor 
Endurecimento por solução sólida
Odontologia:
macio
outros elementos como Cu, 
resistência e melhora sua 
atômico maior do que Au
raio atômico menor do que Auraio atômico menor do que Au
Endurecimento por
■ Metal dúctil torna-se mais 
na medida em que é deformado na medida em que é deformado 
plasticamente
■ As discordâncias movem
escorregamento até encontrar 
obstáculo onde formam 
de distençõesde distenções
Endurecimento por deformação
mais resistente e duro 
deformado deformado 
movem-se nos planos de 
escorregamento até encontrar algum 
formam as chamadas linhas 
Endurecimento porEndurecimento por deformação
O encruamento aumenta 
o limite de escoamento
O encruamento 
diminui a ductilidade
O encruamento aumenta 
a resistência mecânica
diminui a ductilidade
Endurecimento por 
■ O contorno de grão 
interfere nointerfere no
movimento das 
discordâncias
■ Devido as diferentes 
orientações cristalinas 
presentes, resultantes 
do grande número de 
grãos, as direções 
de escorregamento 
grãos, as direções 
de escorregamento 
das discordâncias 
variam de grão para 
grão
Endurecimento por refino de grão
■ O contorno de grão funciona 
barreira para a continuação do 
Endurecimento por 
barreira para a continuação do 
das discordâncias devido 
orientações presentes e também 
inúmeras descontinuidades presentes 
contorno de grão.
funciona como um 
continuação do movimento 
Endurecimento por refino de grão
continuação do movimento 
discordâncias devido as diferentes 
presentes e também devido às 
inúmeras descontinuidades presentes no 
Endurecimento por Endurecimento por refino de grão
Endurecimento por
■ Interação das discordâncias com partículas 
finamente dispersasfinamente dispersas
■ Exemplos:
Q Ligad de Al com Zn,o Mg 
Q Ligas Ni-Cr-Fe-Nb (Incomel)
Q Ti-Al-V e Cu-Be
Aços inoxidáveis com AlQ Aços inoxidáveis com Al
Endurecimento por Precipitação
Interação das discordâncias com partículas 
Mg e o Cu
(Incomel)
AlAl
Endurecimento por
■ Tratamentos térmicos
Q Solubilização – formação 
fase rica em elementos 
Q Têmpera – a liga é resfriada rapidamente, para 
que as fases não se formem 
supersaturada
Q Envelhecimento – promove a Envelhecimento – promove a 
precipitados da segunda 
transição
Endurecimento por Precipitação
apropriados:
formação de solução sólida da 
elementos de liga
a liga é resfriada rapidamente, para 
formem → solução sólida 
promove a formação de finos promove a formação de finos 
segunda fase ou de uma fase de 
Endurecimento por precipitação
■ Os precipitados também dificultam o movimento 
discordâncias.
■ Precipitados incoerentes: não 
planos cristalinos do precipitado 
discordâncias terão que se curvar 
MECANISMO DE OROWAN
Endurecimento por precipitação
também dificultam o movimento das 
: não existe continuidade entre os 
precipitado e os da matriz, e as 
curvar entre os precipitados -
■ Se os precipitados forem 
discordâncias em movimento poderão cortá
cisalhá-los.
Endurecimento por
cisalhá-los.
■ Precipitados coerentes são 
que precipitados incoerentes
forem coerentes, as 
movimento poderão cortá-los ou 
Endurecimento por precipitação
são muito menos comuns 
incoerentes
Aplicação de Aplicação de biomateriais
Titânio e suas
■ É adequado para o trabalho 
ou para aplicações em que ou para aplicações em que 
baixo peso
■ Pode apresentar dois tipos 
Q Fase α - hexagonal compacto
soldáveis, resistência varia de
tenacidade ao entalhe e boa
Q Fase β - cúbico de face centrada; são 
níveis de resistência variando níveis de resistência variando 
■ Ti puro - Fase α
■ Boa resistência a corrosão 
Titânio e suas Ligas
o trabalho em ambientes corrosivos 
em que seja fundamental o seu em que seja fundamental o seu 
tipos de formação cristalina:
compacto; não são tratáveis e são
de baixa a média, tem boa
boa ductibilidade
centrada; são soldáveis e tratáveis, 
variando de média a altavariando de média a alta
resistência a corrosão – TiO2
■ Aplicação como biomateriais:
Titânio e suas
Q 45% Ti-6Al-4V, 30% Ti puro 
■ Ti-6Al-4V tem mostrado certa 
neurológica associada ao Al 
■ Substituição do V por 
■ Alumínio suspeito estar
de Alzheimer – substituição
13Nb
biomateriais:
Titânio e suas Ligas
puro e 25% outras ligas
4V tem mostrado certa toxicidade 
neurológica associada ao Al e V
por Nb (Ti-6Al-7Nb)
estar envolvido com o mal
substituição pela liga Ti-13Zr-
Titânio e suas LigasLigas-Osseointegração
Ligas a Base de
■ São utilizadas desde 1924 
implantada em cães por
1938 parafusos Co-Cr ■ 1938 parafusos Co-Cr 
ossos de animais
■ Segui-se implantação de 
a base de cobalto em humanos, 
como revestimento colocado sobre 
do fêmur
■ Coberturas de ligas fundidas à 
cobalto em endopróteses
Base de Cobalto
1924 – liga Stellite foi 
por Zierold
Cr foram implantados em Cr foram implantados em 
implantação de matrizes de uma liga 
humanos, basicamente 
revestimento colocado sobre a cabeça 
fundidas à base de 
endopróteses em1950
■ Ligas de Co mais utilizadas são a 
Co-Cr-Ni-Mo
Ligas a Base de
Co-Cr-Ni-Mo
■ Pode haver soltura de 
Ni) que migram para dentro 
adjacente
■ Ligas Co-Cr-Mo mostram desgaste 
baixobaixo
utilizadas são a base de 
Base de Cobalto
de íons metálicos (Cr e 
dentro do tecido 
Mo mostram desgaste muito 
Exemplo – Substituição do
Problema Principal:
Danos na cartilagem levam a ■ Danos na cartilagem levam a 
vários problemas de artrites
■ Osteoartrites: 20.7 milhões de 
americanos
Sintomas:
dores■ dores
■ Imobilidade
Substituição do Joelho
a a 
de 
Introdução
Solução: Total Knee Replacement 
(TKR)
Aproximadamente 250,000 ■ Aproximadamente 250,000 
americanos recebem implantes 
de joelhos por ano
Resultados:
■ Diminuição ou eliminação das 
doresdores
■ Melhora na resistência da perna
■ Melhora na qualidade de vida
Replacement 
recebem implantes 
das 
perna
vida
Projeto atual
Quatro principais componentes:
1. Componente femoral
3. Inserto plástico
Projeto atual TKR
componentes:
2. Componente tibial
4. componente patelar
Componente
Materiais: 
Projeto atual
Interface:
Componente
Materias:
Interface:Interface:
ComponenteFemural
Materiais: Co-Cr-Mo
Ti-6Al-4V ELI
Projeto atual TKR
Ti-6Al-4V ELI
Press fit, fixação biológica, PMMA
Componentepatelar:
Polietileno
Co-Cr-Mo (Ti Alloy)
Pressfit,Pressfit,
fixação biológica 
PMMA
Componente
Materias: 
Projeto atual
Interfa
Inserto
Materias: 
Interfa
ComponenteTibial:
Materias: Co-Cr-Mo (cast) 
Projeto atual TKR
rface:
Co-Cr-Mo (cast) 
Ti-6Al-4V
Press Fit, Biological Fixation, PMMA
Inserto Plástico
PEMaterias: 
rface: Press Fit
Ligas com memória dememória de forma
Ligas com memória de
■ As ligas com memória de forma 
(Shape Memory Alloys) (Shape Memory Alloys) 
metálicos que têm a capacidade 
recuperar a sua forma mesmo 
severamente deformados;
■ O efeito de recuperação 
exclusivo das ligas metálicas, 
também em polímeros, também em polímeros, 
materiais biológicos, de 
cabelo humano;
memória de forma
memória de forma – SMA 
Alloys) – são materiais Alloys) – são materiais 
capacidade de 
forma mesmo depois de 
deformados;
de recuperação de forma não é 
metálicas, existindo 
polímeros, em cerâmicos e em polímeros, em cerâmicos e em 
de que é exemplo o 
Ligas com Memória 
■ Durante os anos 60 estes 
conheceram as primeiras aplicações com a conheceram as primeiras aplicações com a 
descoberta das propriedades das ligas 
pelo “Naval Ordonnance 
EUA – ligas designadas por 
Industrialmente, o Nitinol ■ Industrialmente, o Nitinol 
primeira vez em 1967 na construção 
mangas de junção para os aviões
Memória de Forma
estes materiais 
primeiras aplicações com a primeiras aplicações com a 
descoberta das propriedades das ligas Ni-Ti 
Ordonnance Laboratory”, nos 
ligas designadas por Nitinol ;
Industrialmente, o Nitinol foi utilizado pela Industrialmente, o Nitinol foi utilizado pela 
1967 na construção de 
de junção para os aviões F14;
Principais ligas de memória 
■ Níquel-Titânio (50%-50%)
■ CuZnAl
■ CuAlNi
As ligas NiTi apresentam 
cerca 8% de deformação 
na transformação versus na transformação versus 
4 to 5% para as ligas de
Cu- Zn
Principais ligas de memória de forma
50%)
Fotomicrografia de uma 
apresentam 
deformação 
liga de memória de forma 
(69%Cu-26%Zn-5%Al),
mostrando as agulhas de 
martensita numa matriz
de austenita.
■ grupo de metais que demonstra a 
capacidade de retomar uma forma 
Ligas com Memória 
capacidade de retomar uma forma 
tamanho previamente definidos 
sujeitas a um ciclo térmico 
que demonstra a 
de retomar uma forma ou 
Memória de Forma
de retomar uma forma ou 
previamente definidos quando 
térmico apropriado
■ Como funcionam?
Ligas com Memória 
estes materiais são constituídos 
sólidas distintas com estruturas
diferentes
Austenita
•fase de alta temperatura 
(fase mãe)(fase mãe)
• dura
•estrutura geralmente 
cúbica
Memória de Forma
constituídos por duas fases 
distintas com estruturas cristalinas
diferentes
Martensita
•fase de baixa temperatura
•flexível e facilmente •flexível e facilmente 
deformável
•estrutura com pouca 
simetria
O EFEITO DE MEMÓRIA DE FORMA
A MUDANÇA NA ESTRUTURA COM A
TEMPERATURA
DE MEMÓRIA DE FORMA DEVE-SE
A MUDANÇA NA ESTRUTURA COM A
■ Como funciona?
Ligas com Memória Memória de Forma
Transformação
Martensita: perspectiva
■ cristalograficamente, a 
martensítica acontece 
Q deformação da rede cristalina
■ consiste em todos os movimentos 
para produzir a nova estrutura a partir da
Q acomodação atómicaQ acomodação atómica
■ os átomos acomodam-se 
novas posições dando origem à 
martensite
Transformação martensítica
perspectivamicroscópica
cristalograficamente, a transformação 
acontece em duas etapas: 
cristalina
movimentos atómicos necessários 
estrutura a partir da antiga;
se de forma preferencial nas 
dando origem à nova fase – a 
■ Perspectiva microscópica:
Transformação
■ Perspectiva microscópica:
microscópica:
Transformação martensítica
microscópica:
Superelasticidade
■ se a deformação imposta ao material 
carga a uma temperatura constante, 
recuperada quando descarregado, recuperada quando descarregado, 
diz-se superelástico
■ a transformação da austenita em martensita e 
de origem mecânica
■ à martensita resultante dá-se o 
induzida por tensão
Superelasticidade
material por aplicação de uma 
constante, for totalmente 
descarregado, o seu comportamento descarregado, o seu comportamento 
em martensita e vice-versa, é 
o nome de martensita 
Aplicação na
Placas Ósseas
são usadas placas de Ni-Ti são usadas placas de Ni-Ti 
para substituir ossos
fraturados;
as placas Ni-Ti são resfriadas 
e colocadas na zona
afetada;afetada;
a temperatura do corpo 
aquece as placas que
contraem,
exercendo pressão
controlada.
Aplicação na Medicina
Ósseas
Aplicação na
Cateteres
■ as SMA´s podem também ser ■ as SMA´s podem também ser 
concepção de cateteres 
■ através da passagem
SMA que incorpora o
deforma.
Aplicação na Medicina
Cateteres
podem também ser utilizadas na podem também ser utilizadas na 
cateteres para diagnóstico;
de corrente o fio
cateter aquece e
Aplicação na Medicina
Filtros para a veia
■ fios de nitinol superelásticos se colocam 
filtrar coágulos de sangue;
■ os filtros, inicialmente de forma cilíndrica 
cerca de 2.5mm, são introduzidos 
posição certa, abrem com uma forma 
guarda-chuva, usada para reter os
Medicina
cava
colocam na veia cava para 
cilíndrica compacta de 
introduzidos via cateter e quando na 
uma forma semelhante à de um 
reter os coágulos.
Aplicação na
Aparelhos para correção 
■ nos tradicionais aparelhos ■ nos tradicionais aparelhos 
inoxidável, sempre que 
“sucumbem” à força de 
necessário reajustar o aparelho;
■ nos aparelhos de nitinol 
automático – superelasticidade.automático – superelasticidade.
Aplicação na Medicina
correção dos dentes
aparelhos de aço aparelhos de aço 
sempre que os dentes 
de correção aplicada, é 
aparelho;
nitinol esse reajuste é 
superelasticidade.superelasticidade.