Desenvolvimento de novas ligas funcionais do sistema Ti-x(Ta-Nb- Zr) para aplicações biomédicas
Data
2026-01-05
Autores
Maldonado, Nahuel Eduardo
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Resumo
Este trabalho investiga o desenvolvimento e a caracterização de novas ligas do sistema Ti-x(Ta-Nb-Zr), com x = 10, 20 e 30% em massa, visando aplicações biomédicas. As ligas de titânio do tipo β têm despertado grande interesse na área de biomateriais devido à sua elevada biocompatibilidade, resistência à corrosão e, principalmente, à possibilidade de obtenção de módulos de elasticidade reduzidos, por meio da transformação de fase, minimizando o efeito de stress shielding em implantes ortopédicos. Nesse contexto, a adição de elementos β-estabilizadores não tóxicos, como nióbio, tântalo e zircônio, mostra-se uma estratégia promissora para a obtenção de ligas com melhor compatibilidade mecânica. O objetivo deste trabalho foi caracterizar quimicamente, estrutural e mecanicamente as ligas Ti-x(Ta-Nb-Zr) e promover a funcionalização superficial dessas ligas por meio de uma oxidação por plasma eletrolítico (PEO), visando melhorar suas propriedades superficiais para aplicações biomédicas. As ligas foram produzidas por fusão a arco elétrico em atmosfera controlada de argônio, com múltiplas fusões para garantir homogeneidade química. A caracterização química foi realizada por espectroscopia de energia dispersiva (EDS), enquanto a estrutura cristalina foi analisada por difração de raios X (DRX) com refinamento de Rietveld. A microestrutura foi avaliada por microscopia eletrônica de varredura (MEV), e o módulo de elasticidade dinâmico foi determinado pelo método de excitação por impulso. Além destes testes, após do PEO, foram medidas a dureza (Vickers), energia de superfície e molhabilidade por ângulo de contato. Os resultados indicaram que o aumento do teor de Ta, Nb e Zr favorece a estabilização da fase β, resultando em redução significativa do módulo de elasticidade, com destaque para a liga Ti-20Ta-20Nb-20Zr, que apresentou o menor valor entre as composições estudadas. O tratamento superficial por PEO promoveu a formação de camadas cerâmicas porosas compostas principalmente por óxidos de titânio e zircônio, com incorporação de cálcio e fósforo, apresentando elevada dureza, boa molhabilidade e alta energia superficial. De forma geral, os resultados demonstram que a composição Ti-20Ta-20Nb-20Zr, apresenta um elevado potencial para aplicações biomédicas, combinando baixa rigidez, estabilidade estrutural e química, além das superfícies funcionalizadas adequadas para favorecer a osteointegração.
Resumen
Este trabajo investiga el desarrollo y la caracterización de nuevas aleaciones del sistema Ti-x(Ta-Nb-Zr), con x = 10, 20 y 30% en masa, orientadas a aplicaciones biomédicas estructurales. Las aleaciones de titanio de tipo β han despertado un gran interés en el campo de los biomateriales debido a su elevada biocompatibilidad, resistencia a la corrosión y, principalmente, a la posibilidad de obtener un módulo de elasticidad reducido mediante la transformación de fases, minimizando el efecto de stress shielding en implantes ortopédicos. En este contexto, la adición de elementos β-estabilizadores no tóxicos, como el niobio, el tantalio y el circonio, se presenta como una estrategia prometedora para la obtención de aleaciones con una mejor compatibilidad mecánica. El objetivo de este trabajo fue caracterizar química, estructural y mecánicamente las aleaciones Ti-x(Ta-Nb-Zr) y promover la funcionalización superficial de estas aleaciones mediante un proceso de oxidación por plasma electrolítico (PEO), con el fin de mejorar sus propiedades superficiales para aplicaciones biomédicas. Las aleaciones fueron producidas por fusión por arco eléctrico en una atmósfera controlada de argón, con múltiples fusiones para garantizar la homogeneidad química. La caracterización química se realizó mediante espectroscopía de energía dispersiva (EDS), mientras que la estructura cristalina fue analizada por difracción de rayos X (DRX) con refinamiento de Rietveld. La microestructura fue evaluada por microscopía electrónica de barrido (MEB), y el módulo de elasticidad se determinó mediante el método de excitación por impulso. Además de estos ensayos, tras el tratamiento PEO se midieron la dureza (Vickers), la energía superficial y la mojabilidad mediante el análisis del ángulo de contacto. Los resultados indicaron que el aumento del contenido de Ta, Nb y Zr favorece la estabilización de la fase β, lo que conduce a una reducción significativa del módulo de elasticidad, destacándose la aleación Ti-20Ta-20Nb-20Zr por presentar el valor más bajo entre las composiciones estudiadas. El tratamiento superficial por PEO promovió la formación de capas cerámicas porosas compuestas principalmente por óxidos de titanio y circonio, con incorporación de calcio y fósforo, que presentan elevada dureza, buena mojabilidad y alta energía superficial. En términos generales, los resultados demuestran que la composición Ti-20Ta-20Nb-20Zr presenta un alto potencial para aplicaciones biomédicas, al combinar baja rigidez, estabilidad estructural y química, y superficies funcionalizadas adecuadas para favorecer la osteointegración.
Abstract
This work investigates the development and characterization of new alloys of the Ti-x(TaNb-Zr) system, with x = 10, 20, and 30 wt.%, aiming at structural biomedical applications. βtype titanium alloys have attracted considerable interest in the field of biomaterials due to their high biocompatibility, corrosion resistance, and, mainly, the possibility of achieving reduced elastic modulus through phase transformation, thereby minimizing the stress shielding effect in orthopedic implants. In this context, the addition of non-toxic β-stabilizing elements such as niobium, tantalum, and zirconium represents a promising strategy for obtaining alloys with improved mechanical compatibility. The objective of this work was to chemically, structurally, and mechanically characterize Ti-x(Ta-Nb-Zr) alloys and to promote their surface functionalization through plasma electrolytic oxidation (PEO), aiming to enhance their surface properties for biomedical applications. The alloys were produced by electric arc melting under a controlled argon atmosphere, with multiple remelts to ensure chemical homogeneity. Chemical characterization was performed by energy-dispersive spectroscopy (EDS), while the crystalline structure was analyzed by X-ray diffraction (XRD) with Rietveld refinement. The microstructure was evaluated by scanning electron microscopy (SEM), and the elastic modulus was determined using the impulse excitation method. In addition to these tests, after the PEO treatment, hardness (Vickers), surface energy, and wettability were measured by contact angle analysis. The results indicated that increasing the Ta, Nb, and Zr contents favors the stabilization of the β phase, resulting in a significant reduction in elastic modulus, with the Ti-20Ta-20Nb-20Zr alloy exhibiting the lowest value among the studied compositions. The PEO surface treatment promoted the formation of porous ceramic layers mainly composed of titanium and zirconium oxides, with calcium and phosphorus incorporation, exhibiting high hardness, good wettability, and high surface energy. Overall, the results demonstrate that the Ti-20Ta-20Nb-20Zr composition presents high potential for biomedical applications, combining low stiffness, structural and chemical stability, and suitably functionalized surfaces to promote osseointegration.
Descrição
Trabalho de Conclusão do Curso apresentado ao Instituto Latino-Americano de Tecnologia, Infraestruturae Território da Universidade Federal da Integração Latino-Americana, como requisito parcial para à obtenção do título de bacharel em Engenharia de Materiais.
Palavras-chave
biomedicina, ligas de titânio, implantes ortopédicos, Ti-20Ta-20Nb-20Zr