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BIOMATERIAIS E BIOMECÂNICA TQ-064 Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Depto de Engenharia Química Prof. Dr. Mário José Dallavalli.

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1 BIOMATERIAIS E BIOMECÂNICA TQ-064 Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Depto de Engenharia Química Prof. Dr. Mário José Dallavalli

2 Biomateriais Metálicos 1 Metais como Materiais Biocompatíveis Aplicações dos Metais 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 Partes de outros dispositivos –Corações artificiais – bombas –Marca-passos –Cateteres –Extensores (stents)

3 Biomateriais Metálicos Obtenção e processamento dos Metais Obtenção e processamento dos Metais Mineração e purificação do minérioMineração e purificação do minério Metais brutos e formas de estocagemMetais brutos e formas de estocagem Tarugos e chapas – usinagem, conformação, estampagem, etcTarugos e chapas – usinagem, conformação, estampagem, etc formas e dispositivos preliminares formas e dispositivos preliminares ProcessamentoProcessamento Acabamento e tratamento de superfícieAcabamento e tratamento de superfície

4 Biomateriais Metálicos 2 Metais mais usados como Biomateriais Assuntos relacionados aos Metais 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

5 Biomateriais Metálicos Aço InoxidávelAço Inoxidável Ligas a base de Cobalto Ligas a base de Cobalto –Sempre misturado com cromo Ligas a base de Titânio Ligas a base de Titânio –Muito leve com relativa alta resistência –Conteúdo de oxigênio afeta a resistência –Relativamente puro

6 Biomateriais Metálicos Metais nobres - Au, Au, Pt, Pd, IrMetais nobres - Au, Au, Pt, Pd, Ir –Caros e com propriedades pobres como materiais –Usados em eletrodos – elevada resistência a corrosão Mercúrio – Amalgama dentário 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

7 Biomateriais Metálicos 3 Aço Inoxidável Inúmeras variedades existentesInúmeras variedades existentes Ligas de baixo teor de carbono mais usadasLigas de baixo teor de carbono mais usadas –Altos teores de carbono causam corrosão do ferro Misturas de Fe, Cr, e NiMisturas de Fe, Cr, e Ni O cromo oxida para limitar a corrosãoO cromo oxida para limitar a corrosão –Por que a corrosão é indesejada? –Lixiviação para o corpo –Formação de trincas e fadiga

8 AÇOS Aços - ligas Fe-C que podem conter outros elementos. Aços - ligas Fe-C que podem conter outros elementos. –Propriedades mecânicas dependem da %C. %C baixo carbono %C baixo carbono 0.25% médio carbono 0.25% médio carbono 0.60% alto carbono 0.60% alto carbono Aços carbono Aços carbono –Baixíssima concentração de outros elementos. Aços liga Aços liga –Outros elementos em concentração apreciável.

9 Biomateriais Metálicos Presença de altos teores de cromo reduz a resistênciaPresença de altos teores de cromo reduz a resistência Níquel adicionado para aumento de resistênciaNíquel adicionado para aumento de resistência – Estabiliza a austenita Quanto menores os grãos, maior a resistência Quanto menores os grãos, maior a resistência – Como ajustar o tamanho de grão?

10 Biomateriais Metálicos 4 Corrosão Metais degradam a óxidos, hidróxidos e outros compostosMetais degradam a óxidos, hidróxidos e outros compostos Fenômeno oposto a de uma bateriaFenômeno oposto a de uma bateria Fluidos biológicos contem água, oxigênio dissolvido, íons, etc.Fluidos biológicos contem água, oxigênio dissolvido, íons, etc. - Mistura muito agressiva Corrosão é um dos aspectos mais importantes da Biocompatibilidade dos metaisCorrosão é um dos aspectos mais importantes da Biocompatibilidade dos metais

11 Corrosão Corrosão em superfície

12 Biomateriais Metálicos Mecanismo da corrosão 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 Equação geral da formação da ferrugem Fe (s) ---> Fe e- (oxidação do ferro) O 2 + 2H 2 O + 4e- ---> 4OH- (redução do oxigênio) 2Fe + O 2 + 2H 2 O ---> 2Fe(OH) 2 –Similarmente a ferrugem no ferro: os metais escamam A tendência a corrosão é baseada na série eletroquímica A tendência a corrosão é baseada na série eletroquímica

13 Biomateriais Metálicos Série eletroquímica (H=0)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 Metais com potencial negativo se tornam anodos Corrosão galvânica envolve dois metais similaresCorrosão galvânica envolve dois metais similares – O processo é muito mais rápido do que se utilizado um único metal – Devemos evitar metais misturados!!!!!!

14 ElementReaction Electrode PotentialElectrode Potential (V) GoldAu + +e - Au + +e - = AuAu1.692 GoldAu 3+ +3e - Au 3+ +3e - = Au1.498 PlatinumPt 2+ +2e - Pt 2+ +2e - = Pt1.18 PalladiumPd 2+ +2e - Pd 2+ +2e - = Pd0.951 SilverAg + +e - Ag + +e - = Ag CopperCu + +e - Cu + +e - = Cu0.521 CopperCu 2+ +2e - Cu 2+ +2e - = Cu Hydrogen (acid)2H + +2e - 2H + +2e - = H 2H 2 0 IronFe 3+ +3e - Fe 3+ +3e - = Fe LeadPb 2+ +2e - Pb 2+ +2e - = Pb TinSn 2+ +2e - Sn 2+ +2e - = Sn NickelNi 2+ +2e - Ni 2+ +2e - = Ni CobaltCo 2+ +2e - Co 2+ +2e - = Co-0.28 CadmiumCd 2+ +2e - Cd 2+ +2e - = IronFe 2+ +2e - Fe 2+ +2e - = Fe ChromiumCr 3+ +3e - Cr 3+ +3e - = Cr ZincZn 2+ +2e - Zn 2+ +2e - = Zn ChromiumCr 2+ +2e - Cr 2+ +2e - = Cr ManganeseMn 2+ +2e - Mn 2+ +2e - =Mn TitaniumTi 3+ +3e - Ti 3+ +3e - = Ti-1.37 Série Eletroquímica

15 Corrosão galvânica Um exemplo de uma reação eletroquímica é a pilha galvânica, que gera Um exemplo de uma reação eletroquímica é a pilha galvânica, que gera energia elétrica a partir da reação entre ácido sulfúrico, cobre e zincoenergia elétricaácido sulfúricocobrezinco

16 Biomateriais Metálicos Potencial galvânico em um único metalPotencial galvânico em um único metal Filmes passivadores podem limitar a corrosão (camadas de óxidos), mas também podem ser trincadas 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 pH Os diagramas de Pourbaix mostram regiões de corrosão, passivação e imunidade e como elas dependem do potencial de eletrodo e do pH – Logo regiões diferentes do corpo afetam o processo da corrosão diferentemente – Feridas e infecções podem mudar dramaticamente o pH

17 Diagrama de Pourbaix para Corrosão

18 Biomateriais Metálicos Corrosão e fadiga podem ser efeitos sinérgicos Corrosão e fadiga podem ser efeitos sinérgicos – Testes devem sempre ser realizados em meios e condições fisiológicas – Testes devem sempre ser realizados em meios e condições fisiológicas Impressão na superfície do metal pode quebrar a passivação Impressão na superfície do metal pode quebrar a passivação Pitting é corrosão em uma área localizada (variação da conc. de oxigênio – corrosão galvânica) 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) 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 Os cirurgiões devem ter extremo cuidado para não arranhar a superfície do metal

19 Fim Até a próxima aula


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