Ligas metálicas utilizadas na medicina para implantes cirúrgicos

Prévia do material em texto

Ligas metálicas utilizadas na medicina para implantes cirúrgicos.
Bruno D. L. Carneiro1, Nayane F. F. Silva 1, Tatiana C. Araújo1, Yuri N. R. Yamada1.
1Universidade Federal de Pernambuco, Dept. de Engenharia Química, 50740-521, Recife PE.
Resumo-Abstract
RESUMO – Neste trabalho é feito uma revisão sobre ligas metálicas utilizadas na área de bioengenharia para implantes cirúrgicos. Tendo como foco alguns aços inoxidáveis, ligas de titânio e ligas de cobalto, mostrando suas propriedades, características e utilização.
Palavras-chave: Bioengenharia, ligas metálicas, implantes cirúrgicos.
ABSTRACT - In this work a review is made on metal alloys used in the area of ​​bioengineering for surgical implants. Focusing on some stainless steels, titanium alloys and cobalt alloys, showing their properties, characteristics and use.
Keywords: Bioengineering, metal alloys, surgical implants.
1
	
7
Ligas Metálicas
Os materiais metálicos são normalmente combinações de elementos metálicos. Eles possuem um número grande de elementos não-localizados, ou seja, seus elétrons não estão ligados a qualquer átomo em particular. Muitas das propriedades dos metais são atribuídas a estes elétrons e, por isso, os metais são excelentes condutores de eletricidade e calor e não transparentes à luz. São resistentes, mas deformáveis, sendo por isso utilizados em muitas aplicações estruturais.
Muitos metais podem ser tolerados pelo corpo humano em pequenas quantidades (Fe, Cr, Ni, Ti, Co...), assim, nem todos os materiais são biologicamente aceitos pelos tecidos que estão em contato eles. Portanto, os estudos de biocompatibilidade são fundamentais para a implantação de um novo biomaterial metálico, o qual deve apresentar prioritariamente uma boa resistência à corrosão. Ao ocorrer a oxidação do metal no corpo humano, há uma liberação de produtos de corrosão aos tecidos circundantes, desencadeado uma série de efeitos indesejáveis ao organismo. Os materiais que cumprem esta exigência de resistência à corrosão são os aços inoxidáveis, as ligas à base de cobalto, o titânio, o ouro e a platina.
Os metais e suas ligas encontram muitas aplicações especialmente como materiais estruturais, em dispositivos para fixação de fraturas e na substituição total ou parcial de articulações, mas também podem ser utilizados na fabricação de instrumental cirúrgico, em estabilizadores externos, braçadeiras e aparatos para tração. Esses materiais são utilizados principalmente devido a suas propriedades mecânicas e sua resistência à corrosão no organismo humano.
Até o século XVIII, os materiais metálicos utilizados em implantes cirúrgicos eram fundamentalmente o ouro e a prata. Nesse período, várias tentativas de introduzir materiais metálicos no interior do corpo humano foram, em sua maioria, frustradas. Em 1926, apareceram os primeiros implantes de aço inoxidável e, em 1936, sugiram as ligas à base de cromo-cobalto. A utilização do titânio e suas ligas tive início a partir da década de sessenta. A utilização de materiais metálicos representa significativa importância econômica e clínica dentro do campo dos biomateriais.
Dados históricos mundiais revelam que, entre 1940 e 1975, aproximadamente cem milhões de cirurgias foram realizadas em seres humanos para colocação de implantes metálicos. No Brasil, o mercado de implantes ortopédicos está estimado em US$ 64 milhões anuais, sendo o serviço público de saúde responsável por mais de 80% do consumo nacional de implantes cirúrgicos metálicos. 
Dados do início da década de 1990 mostram que os valores relacionados com o mercado de próteses e artigos ortopédicos nos Estados Unidos foram em torno de US$ 2.098 milhões, dos quais aproximadamente 66% correspondem a próteses metálicas de articulações. Estima-se ainda que, neste país, cerca de 3,6 milhões de cirurgias ortopédicas são realizadas por ano, sendo que quatro das dez mais frequentes utilizam implantes metálicos. No mundo, os valores em torno do mercado de implantes ortopédicos atingiram o montante de US$ 4,4 bilhões em 1999. Os materiais metálicos atualmente mais utilizados em ortopedia são: aço inoxidável, ligas de cromo-cobalto e titânio puro e suas ligas.
Aços Inoxidáveis
Aço inoxidável é um nome genérico para uma grande variedade de ligas a base de ferro que contêm uma grande porcentagem (11-30% em peso) do elemento cromo e quantidade variada de níquel. Estes aços podem ser categorizados em dois grupos: cromo e cromo-níquel, de acordo com a composição química. Alternativamente, estes materiais podem ser agrupados em quatro famílias baseadas na característica da microestrutura da liga: Martensíticos, Ferríticos, Austeníticos e Duplex (Ferríticos e Austeníticos). 
Com exceção do tipo Duplex, cada um dos outros três grupos de aços inoxidáveis encontram aplicações para dispositivos médicos, conforme tabela 1. A dureza dos Martensíticos (acima de 97 HB) os classifica como ideais para instrumentos cirúrgicos e odontológicos. Os Ferríticos são pouco utilizados em aplicações médicas, já os Austeníticos são os mais utilizados, tanto em dispositivos não implantáveis quanto para próteses, enfatizando que para a implantação de dispositivos no organismo, os Austeníticos são os únicos aços inoxidáveis utilizados.
Tabela 1 – Categorias dos aços inoxidáveis e aplicações médicas típicas
	Material
	Aplicação
	Exemplos
	Martensítico
	Instrumentos odontológicos e cirúrgicos
	Alicates ortodônticos, bisturis e outros instrumentos
	Ferrítico
	Instrumentos cirúrgicos muito limitados
	Pinos guia e fixadores
	Austenítico
	Grande número de dispositivos médicos não implantáveis, Implantes de curto prazo, Substituições totais do quadril
	Materiais para implante e instrumentação
	Duplex
	Ainda não aplicado como biomaterial
	Sem aplicação
Fonte: J. R. Davis, Handbook of Materials for Medical Devices, ASM, 2003.
Como pode ser visto na tabela 2, existem inúmeros tipos de aços inoxidáveis que podem ser utilizados em implantes cirúrgicos, sendo o mais comum o 316L ou ASTM F138, F139, grau 2. O “L” na nomenclatura do nome deste aço, indica que ele tem baixo teor de carbono, em inglês “low carbon”. Ele tem menos de 0,030% em peso de carbono com o objetivo de diminuir a corrosão microbiológica. 
O aço inoxidável 316L, tabela 3, tem sido largamente utilizado em dispositivos temporários para traumas ósseos como: placas, parafusos, pinos e também em dispositivos permanentes como substituição total da articulação do quadril. A composição da liga 316L é predominantemente de ferro (60-65%) ligado a certa quantidade de cromo (17-19%) e níquel (12-14%), podendo conter quantidades menores de nitrogênio(N), manganês (Mn), molibdênio (Mo), fosforo (P), silício (Si) e enxofre (S).
A adição de elementos na liga envolve a superfície do metal e a massa da microestrutura. A principal função do cromo é permitir o desenvolvimento de um aço resistente à corrosão, formando um óxido de superfície fortemente aderente. No entanto, o cromo tende a estabilizar a fase ferrítica, que é mais fraca que a austenítica. O molibdênio e o silício também são estabilizadores da ferrita. Logo, para quebrar essa tendência de formar ferrita, adiciona-se níquel para estabilizar a fase austenítica. É importante mencionar que o níquel é altamente tóxico para o corpo humano.
O nitrogênio é solúvel em quantidades relativamente altas em aços inoxidáveis Austeníticos e estabiliza a estrutura austenítica do ferro a temperatura ambiente. Este elemento pode ser usado como um substituto do níquel para aumentar a resistência mecânica, bem como melhorar a resistência à corrosão por pites. Em 1998, o aço ASTM 1586 (Orthinox) foi desenvolvido para uso como uma haste na substituição total da articulação do quadril. Ainda, aços austeníticos livres de níquel, isto é, com teores extremamente baixos de níquel, com alta concentração de nitrogênio (ASTM F2229) também foram desenvolvidos para uso médico. Contudo, o aço inoxidável Austenítico, não é suficientemente resistenteà corrosão por um longo período de tempo. Usa-lo como material para implante resulta em limitar suas aplicações a dispositivos temporários, como os de fixações internas e dispositivos de tração. Nestas aplicações, o material é removido depois que a regeneração estiver concluída. Atualmente, os aços inoxidáveis com alto teor de nitrogênio, Orthinox, são predominantes como material para haste no mercado médico de próteses para quadril.
Como dito anteriormente, o motivo principal para o baixo teor de carbono é a corrosão. Se o teor de carbono do aço exceder 0,03%, há risco de formação de carbonetos, (Cr3C2, Cr7C3 e Cr23C6). Estes tendem a precipitar nas bordas dos grãos quando a concentração de carbono e a temperatura forem favoráveis à cinética do crescimento do carboneto. Por sua vez, esta precipitação esgota as regiões do contorno do grão adjacentes do cromo, o que tem o efeito de diminuir a formação do óxido protetor à base de cromo, Cr2O. Os aços em que tais carbonetos são formados são chamados de “sensíveis” e são propensos a falhar através de fraturas por corrosão que se originaram nos contornos dos grãos enfraquecidos.
Tabela 2 – Composição química dos aços inoxidáveis utilizados para implantes.
De acordo com as especificações da ASTM, a forma desejável do aço 316L é austenita monofásica (CFC – cúbica com fase centrada). Deve-se evitar a fase cubica com corpo centrado (CCC) ou de carbonetos na microestrutura. É importante ressaltar que o aço deve estar livre de inclusões, como leiras de sulfeto. Estes podem surgir ao ser fabricado com um aço que contem impurezas e predispor o aço à corrosão tipo pite nas interfaces do metal. O tamanho do grão n é definido pela fórmula:
N= 2 n-1 
Onde N é o número de grãos contido em 0,0645 mm² de área. Além disso, o tamanho do grão deve ser relativamente uniforme em toda a estrutura.
Onde ty e t, são rendimento e o estresse de fricção, respectivamente; d é o diâmetro do grão; k é uma constante associada à propagação de deformação através dos limites de grãos; e m é aproximadamente 0,5. A partir dessa equação, segue-se que as tensões de maior rendimento podem ser alcançadas por um metal com um diâmetro maior, e com outros valores iguais. A forma de fabricação, incluindo detalhes sobre condições de solidificação, trabalho a frio, ciclos de recozimento e cristalização, é um fator determinante para o tamanho do grão. 
Outra característica da microestrutura que é significativa no aço 316L é a deformação plástica dentro dos grãos. O metal é normalmente usado em um estado com 30% de trabalho a frio pois o metal trabalhado a frio aumenta o rendimento, resistência máxima e resistência à fadiga em relação ao estado recozido. Essa troca diminui a ductilidade porém no caso de implantes cirúrgicos isso não é relevante.
Em alguns dispositivos específicos, como os parafusos ósseos feitos de 316L, a textura também pode ser aparente na microestrutura. A textura significa uma preferência de orientação nos grãos deformados. Por exemplo, os parafusos de osso de aço inoxidável mostram grãos alongados em seções metalográficas tomadas paralelamente ao eixo longo dos parafusos. Esta descoberta é consistente com o desenho a frio semelhante na fabricação do estoque de barras a partir do qual os parafusos são geralmente usinados. Nas seções metalográficas feitas perpendicularmente ao longo do eixo do parafuso, os grãos aparecem ais equidistantes. Um resumo das propriedades mecânicas do aço inoxidável 316L pode ser encontrado na Tabela 4.
	A maioria das propriedades mecânicas (limite de escoamento, resistência à fadiga, limite de resistência à tração e alongamento) varia com o tipo da liga e seu processamento. Já os módulos elásticos (Elasticidade, Cisalhamento) são uma exceção, variando pouco para cada tipo de material. Os aços inoxidáveis para implantes são forjados e usinados.
Tabela 4 – Propriedades mecânicas típicas de metais usados para implantes.
Apesar do aço inoxidável 316L ser muito mais resistente em relação ao osso, em termos de módulo elástico, limite de resistência à tração e tenacidade à fratura, seu histórico de aplicação médica tem revelado que eles não são seguros para serem usados como um dispositivo permanente em locais com aplicação de carga, devido às condições de serviço no interior do corpo serem mais complicadas do que um simples carregamento compressivo, pois biomateriais metálicos implantados no corpo humano estão sujeitos a danos por fadiga, atrito e corrosão.
	Ligas
	Limite de fadiga no ar (MPa)/frequência
	Limite de fadiga em solução salina (MPa)/frequência
	316L Fundido/Forjado
	220 / 20 Hz
	200 / 2 Hz
	316L conformado à frio
	600 / 10 Hz
	<600 / 10 Hz
	316L conformado à frio
	340 / 120 Hz
	<340 / 120 Hz
	316L Recozido
	290 / 120Hz
	<290 / 120 Hz
O número de estudos em termos de comportamento por fadiga de aços inoxidáveis é baixo quando comparado com estes mesmos estudos com cobalto e especialmente titânio. Isso acontece porque o uso de aços inoxidáveis austeníticos é confinado a dispositivos temporários, devido à sua pobre resistência à corrosão em fluidos corporais durante um longo período de tempo implantado, podendo ocorrer a liberação de íons prejudiciais para os tecidos adjacentes. Estudos mostraram que o aço 316L tem menor resistência à fadiga e vida útil mais curta em soluções salinas em relação ao ar ambiente conforme tabela 5, sendo tipicamente entre 200 – 300 MPa em soluções biológicas aquosas. De acordo com análises de elementos finitos, a tensão máxima em uma haste femoral no corpo é estimada em 200 MPa.. Desta forma, o aço inoxidável 316L é moderadamente aceitável em temos de fadiga. Além disso, o surgimento de trincas por fadiga tem sido relacionado com a presença de pites [69], que agem como concentradores de tensão e como localidades preferenciais para este surgimento de trincas por fadiga.
 Molibdênio e nitrogênio podem melhorar a resistência à corrosão por pites de aços inoxidáveis austeníticos, desta forma, a adição de tais elementos pode ser uma maneira efetiva de melhorar a resistência à fadiga por corrosão de dispositivos de aço inoxidável para implantes.
Tabela 5 – Limites de fadiga do aço 316L (um milhão ou dez milhões de ciclos)
Os efeitos adversos dos íons de níquel para o corpo humano levou ao desenvolvimento do aço inoxidável austenítico livre de níquel para aplicações médicas. O nitrogênio substitui o níquel como elemento estabilizador da fase austenítica, bem como traz melhorias para as propriedades. Combinando os benefícios de uma estrutura austenítica estável, elevada resistência mecânica, boa plasticidade, elevadas resistências à corrosão e ao desgaste e até biocompatibilidade superior, quando comparado ao aço 316L usado tipicamente, este novo aço (F2229) pode ser um ótimo substituto. Entretanto, a tenacidade destes aços deve ser analisada, uma vez que a grande quantidade de nitrogênio pode resultar em uma liga relativamente frágil.
O desempenho biológico dos três elementos dominantes (ferro, cromo e níquel), com a bioatividade relacionada com a liberação destes elementos como íons solúveis ou partículas insolúveis estão expostos individualmente.
FERRO 
O ferro é um elemento necessário em quase todo organismo vivo, desde bactérias primitivas até seres humanos. Este elemento está presente em todas as células do corpo humano e possui funções vitais. Muitas enzimas celulares vitais para a vida, como a catalase e a lipoxigenase, bem como os citocromos, que oxidam nutrientes alimentares para produzir energia, contêm ferro. O ferro também é um componente essencial da hemoglobina, uma proteína no sangue que prende e carrega oxigênio para os tecidos a partir dos pulmões. Ferro é absorvido no corpo via oral e sua deficiência é uma das mais comuns deficiências nutricionais. Pequenas quantidades de ferro podem interferir nessas funções vitais e levar à morte. A consequência direta da deficiência de ferro é a anemia.Grandes quantidades de ferro liberadas de implantes metálicos podem causar níveis excessivos de ferro no sangue, estes altos níveis de ferro reagem com peróxidos para produzir radicais livres, que são altamente reativos e podem causar danos ao DNA, proteínas, lipídios e outros componentes celulares. O ferro danifica células do coração e fígado, podendo causar efeitos significativamente adversos, incluindo coma, acidose metabólica, choque, falha do fígado, coagulopatia, problemas respiratórios, danos em órgãos e até mesmo morte se não tratado. Estudos mostraram que o ferro se acumula no hipocampo do cérebro tendo relação com as doenças de Alzheimer e Parkinson. Humanos sofrem com a toxicidade em uma concentração em torno de 20 mg/kg de massa corporal, sendo que 60 mg/kg é considerada uma dose letal.
CROMO 
O cromo é um cofator na regulação de níveis de açúcar no sangue. A deficiência de cromo pode causar hiperglicemia e glicosúria. Desta forma, a concentração de cromo no sangue, plasma ou urina pode ser medida para monitorar a segurança em indivíduos expostos. 
Entre a variedade dos possíveis estados de oxidação do cromo, Cr+3 e Cr+6 são as formas mais comuns, com a toxicidade dependendo do estado de oxidação do metal. A toxicidade aguda do estado Cr+6 é devido às suas fortes propriedades oxidantes. Após alcançar a corrente sanguínea, os rins, fígado e células sanguíneas sofrem danos através das reações de oxidação, resultando em hemólise, causadora de falha nos rins e fígado. A dose letal do estado Cr+6 varia entre 50 e 150 mg/kg. A Organização Mundial da Saúde recomenda um máximo de 0,05 mg/l deste estado de oxidação do cromo no corpo. O contato com produtos que contêm cromatos pode levar a alergias e irritações dermatológicas, resultando na ulceração da pele.
NÍQUEL 
O níquel existe na urease, uma enzima que auxilia na hidrólise da ureia. No sangue, este elemento está limitado ao fracionamento da albumina. A maior parte de níquel no organismo é eliminada pela urina (90%). As concentrações estimadas deste elemento nos tecidos humanos são (em mg/kg): 173 no pulmão, 62 no rim, 54 no coração, 50 no fígado, 44 no cérebro, 37 no baço e 34 no pâncreas.
A deficiência de níquel têm se mostrado, em estudos com animais, um problema causador de muitos efeitos prejudiciais, resultando em consequências patológicas, incluindo crescimento reduzido, perda de peso, mortalidade perinatal, mudanças na pele e desenvolvimento desigual de cabelos e pelos. Ainda, a deficiência de níquel interfere na incorporação de cálcio no esqueleto e ocasiona perda óssea de longos ossos das pernas. Estudos também mostraram que esta deficiência compromete a atividade de enzimas no coração, fígado e rins, podendo ocasionar a degeneração de músculos cardíacos e esqueléticos. 
Similarmente ao cromo, a toxicidade do níquel foi inicialmente revelada por alergias relacionadas à pele, causando coceira e avermelhamento durante o uso de brincos e adornos. Estudos mostraram que a toxicidade do níquel inclui doenças respiratórias, renite e sinusite crônicas, câncer na cavidade nasal e no pulmão, dermatite e reações de hipersensibilidade.
Ligas de Titânio
Dentre as ligas metálicas utilizadas como implante cirúrgico, a demanda para o titânio e suas ligas vem crescendo desde sua introdução, em 1947, e estima-se que mais de mil toneladas de componentes de titânio sejam implantadas anualmente em pacientes nas áreas de ortopedia, implantes dentários e cirurgias buco-maxilo-faciais.
O titânio é um elemento de baixa densidade (aproximadamente 60% da densidade do ferro e a metade da densidade do cobalto) que pode ser melhorado em termos de resistência mecânica através da adição de elementos de liga ou processos de conformação. Titânio puro sofre uma transformação alotrópica em aproximadamente 885°C, mudando a sua estrutura cristalina de hexagonal compacta (fase α) para cúbica de corpo centrado (fase β). Baseado em sua microestrutura depois do processamento, as ligas de titânio são categorizadas em quatro classes: ligas α, quase-α, β e α+β. O módulo de elasticidade do titânio e suas ligas é aproximadamente metade do módulo do aço inoxidável e ligas de cobalto. Comparado com aços inoxidáveis e ligas de cromo-cobalto, o titânio é superior em termos de resistência específica (resistência/densidade), porém é inferior em propriedades tribológicas. O uso das ligas de titânio como biomateriais tem aumentado, devido ao seu baixo módulo de elasticidade, biocompatibilidade superior e elevada resistência à corrosão quando comparado com os aços inoxidáveis e ligas a base de cobalto. Estes atrativos levaram a introdução de titânio comercialmente puro e ligas α+β Ti-6Al-4V, bem como o desenvolvimento mais recente de ligas β metaestáveis para aplicações biomédicas.
Diferente dos aços inoxidáveis e das ligas a base de cobalto, em que o objetivo principal da adição de elementos de liga é melhorar a resistência à corrosão, para o titânio este procedimento visa melhorar as propriedades mecânicas, pois a matriz de titânio já possui uma excelente resistência à corrosão por si só. A temperatura de transformação entre as fases α e β é sensivelmente influenciada pelos elementos de liga, que são classificados como estabilizadores das fases α ou β, dependendo se aumentam ou diminuem a temperatura de transformação de fase. 
 	Os elementos intersticiais oxigênio, nitrogênio e carbono são fortes estabilizadores da fase α, os quais aumentam a temperatura de transformação com o aumento da concentração do soluto. Hidrogênio é um forte estabilizador da fase β, o qual abaixa a temperatura de transformação com o aumento da concentração do soluto.
 	A alta solubilidade de oxigênio e nitrogênio também faz do titânio, único entre os metais, porém, também cria problemas que não são comuns em outros metais, por exemplo, o aquecimento do titânio em ar a altas temperaturas resulta não só em oxidação, mas também em um endurecimento por solução sólida na superfície devido à difusão interna de oxigênio e nitrogênio. Esta superfície dura (conhecida como camada contaminada pelo ar) prejudica a resistência à fadiga e a ductilidade, desta forma, esta camada deve ser removida por usinagem ou algum outro processo. 
 Os elementos que formam solução sólida substitucional também são importantes no controle da microestrutura e propriedades das ligas de titânio. Alumínio é um forte estabilizador da fase α. Outros estabilizadores desta fase são: boro, gálio, germânio e outros elementos raros na terra, mas suas solubilidades sólidas são bem menores, comparados com alumínio ou oxigênio e nenhum destes elementos são comumente utilizados como elementos de liga atualmente. Existem muito mais elementos solubilizados no titânio β do que no α, elementos estabilizadores da fase β são preferidos como adições porque não formam componentes intermetálicos, e também, o titânio não forma componentes intermetálicos com eles. Sistemas eutetóides são formados com vanádio, molibdênio, nióbio, cromo, ferro, cobre, níquel, paládio, cobalto, manganês e outros metais de transição. Eles são comumente adicionados às ligas em combinação com um ou mais elementos para estabilizar a fase β e prevenir ou minimizar a formação de componentes intermetálicos que podem ocorrer em elevadas temperaturas durante o processamento termomecânico, tratamento térmico ou serviço. Os elementos estabilizadores da fase β mais utilizados são: vanádio, molibdênio, nióbio, cromo, ferro e silício. O ferro, cromo e outros formadores de componentes são, as vezes, utilizados em ligas α+β ou β pois são fortes estabilizadores que podem melhorar a dureza e responder a tratamentos térmicos. Níquel, molibdênio, paládio ou rutênio podem melhorar a resistência à corrosão do titânio não ligado. Alumina, estanho e zircônio são comumente usados juntos nas ligas α e quase-α. Em ligas α+β, estes elementos são distribuídos aproximadamente igualmente entre as fases α e β. Quase todas as ligas de titânio comerciais contêm um ou mais destes três elementos,pois são solúveis em ambas as fases e, particularmente, melhoram a resistência à fluência na fase α.
Em comparação com os aços inoxidáveis e ligas a base de cobalto, as ligas de titânio têm provado ser superiores em termos de biocompatibilidade devido à sua excelente resistência à corrosão. A primeira geração das ligas de titânio, representada pela liga Ti-6Al-4V, tem sido reportada por causar reações alérgicas ao corpo humano. A segunda geração de ligas de titânio (fase β) vem sendo desenvolvidas e investigadas com grande interesse. Alguns elementos estabilizadores da fase β, como o molibdênio, tântalo e zircônio são usados como elementos de liga e considerados relativamente seguros quando comparados com vanádio e alumínio.
As propriedades de fadiga não são somente influenciadas pela microestrutura (tamanho de grão, presença de fases α ou β, partículas de segunda fase), mas também são extremamente sensíveis às condições da superfície do produto final. Os valores de resistência à fadiga das ligas de titânio de fase α+ β e β são reduzidos em torno de 40% em materiais em que a superfície não possui uma rugosidade satisfatoriamente baixa. Para aplicações biomédicas, superfícies com elevada rugosidade são consideradas para avaliar o desempenho de implantes para o quadril, uma vez que a haste raramente tem uma superfície lisa, sendo frequentemente estruturadas com revestimentos porosos que induzem locais com concentradores de tensão. Hastes com revestimentos porosos para implantes em quadril demonstram uma ampla redução no limite de fadiga quando comparada com a mesma liga em condições de baixa rugosidade. 
 As ligas de fase β podem ter a sua resistência à fadiga melhorada por dois métodos, adicionando partículas como Y2O3, SiO2 e ZrO2 que limitam a movimentação das linhas de discordância ou então precipitando pequenas quantidades de fase ω através do tratamento de envelhecimento a baixas temperaturas por um curto período de tempo. Entretanto, deve-se ter cuidado, pois grandes quantidades de fase ω podem fragilizar o material e ainda podem aumentar o módulo de elasticidade. A relação limite de fadiga / limite de escoamento representa a importância maior de um carregamento cíclico em relação a um carregamento estático como parâmetro de falha.
Alguns testes de simulações realizadas em articulações do quadril mostraram que a taxa de desgaste entre o contato de polímeros de ultra alto peso molecular (UHMWPE) e a liga Ti-6Al-4V são 35% maiores do que o contato entre esses polímeros e a liga de Co-Cr, sugerindo que esta alta taxa de desgaste na liga de titânio se deve à instabilidade mecânica da camada de óxido. Foi proposto que a camada de óxido passiva superficial de ligas de titânio pode ser quebrada pela aplicação de tensões externas. O dano na camada pode não ser capaz de se regenerar (nova formação da camada) imediatamente, levando à perda de material da liga localmente por corrosão. 
O desgaste em materiais para próteses de articulações é um fator chave que afeta a longevidade do serviço do dispositivo. A incidência de dores e perdas de próteses tem sido atribuída à liberação de partículas poliméricas, cerâmicas e metálicas.
Ligas de Cobalto
As ligas de cobalto e molibdênio foram inicialmente desenvolvidas para uso em motores de avião e possuíam como características elevada resistência mecânica e altas temperaturas e melhor resistência a corrosão. Estas ligas começaram a ser utilizadas em implantes médicos no início da década de 30. A liga CrCoMo (cromo, cobalto e molibdênio) foi bastante utilizado para aplicações odontológicas e logo em seguida adaptada para aplicações ortopédicas na década de 40, figura 1. De maneira geral, a resistência a corrosão das ligas CrCo é maior do que os aços inoxidáveis e possuem boas propriedades mecânicas. 
Figura 1 – Liga de cobalto usado em próteses dentaria
A liga de CoCrMo é menos tóxica de que o cobalto ou níquel puro devido a sua melhor resistência a corrosão. O caso de sucesso do uso desta liga ocorreu em 1960 para haste de substituição de quadril, demonstrando uma boa tolerância do organismo. Entretanto, identificou-se que pacientes com articulações de contato entre metais ficam passiveis de liberação de partículas ao longo dos anos pelo degaste o material, uma vez que as partículas liberam cobalto e cromo no sangue.
As ligas a base de cromo e cobalto são melhores do que ações inoxidáveis quando se trata de resistência à corrosão, havendo um excelente resultado quando exposto a um ambiente rico em cloro. Uma excessiva quantidade de cromo acarreta na formação espontânea de uma camada passiva de óxido na superfície do metal no interior do organismo, sendo o cromo, molibdênio e níquel responsáveis direto pela resistência a corrosão. 
Pode-se adicionar algum elemento para aumentar a resistência mecânica, como o caso do tungstênio. Entretanto, o mesmo pode prejudicar a resistência a corrosão das ligas devido a liberação de íons e partículas de níquel usados em implantes de longa duração.
O cobalto é um elemento essencial para a maturação das células vermelhas. Porém, em quantidades de alta exposição, pode causar efeitos diversos perigosos a saúde. O cobalto é introduzido no corpo via pulmões, contato com a pele e liberação de íons e partículas de implantes, sendo sua dose letal estipulada entre 150 e 500 mg/kg. 
Problemas neurológicos, musculares, dores de cabeças e problemas dermatológicas são intoxicações que podem ocorrer devido ao cobalto.
O molibdênio é elemento essencial para algumas enzimas importantes do metabolismo. O corpo humano contem cerca de 0,08 mg/kg deste elemento, encontrando-se nos fígados, rins e esmalte dos dentes. O molibdênio é muito menos toxico que outros metais de grande utilização industrial como o cobalto e o níquel. 
Estudos mostram que a relação de molibdênio com a toxicidade não é comum. Contudo, uma ingestão acima de 10mg/dia pode causas problemas de pulmões, rins e fígado.
Semelhante ao molibdênio, não é comum a toxicidade no corpo humano, apesar da rápida degradação de materiais implantáveis no organismo. Reações adversas deste elemento e possíveis efeitos continuam em estudo por pesquisadores.
 Muitas são as propriedades mecânicas utilizadas para classificar as diversas ligas, tais como: Modulo de elasticidade, limite de resistência a tração, limite de escoamento, alongamento e limite de fadiga. As propriedades caracterizam as ligas quanto a sua resistência, sendo possível analisar a sua aplicação em diferentes formas.
De maneira geral, os valores de resistência a fadiga de ligas a base de cobalto são muito maiores que as do aço inoxidável e ligas de titânio. Ressalta-se o fato de que os valores de resistência a fadiga apresentado em livros serem atrelados a experimentos realizados em ar, enquanto que no corpo humano o dispositivo encontra-se em adjacências mais nocivas. Estudos mostraram que implantes com mais de 20 anos no organismo, as ligas a base de cobalto são tão instáveis quanto aços inoxidáveis.
As ligas de CoCrMo forjadas são caras, limitando a sua utilização no na medicina quando comparado aos aços inoxidáveis. As ligas possuem cobalto possuem alto modulo de Young no osso cortical, resultado em distribuição de energia desigual durante o caminhar. Devido a distribuição não uniforme, pode-se causar danos ao osso. Além disto, como já citado, a liberação de elementos de liga como níquel, cromo e cobalto é tóxico, causando reações alérgicas ao organismo.
Em suma, as ligas de base de cobalto são superiores aos aços inoxidáveis tratando-se de resistência a corrosão, fadiga e desgaste. As propriedades mecânicas tornam a adequadas para muitas aplicações ortopédicas, tornando as ligas CoCrMo forjadas como um dos materiais metálicos mais utilizados para implante conforme mostrado na tabela 6.
 Tabela 6 – Ligas a base de cobalto utilizados em implantes cirúrgicos