Mecânica

Ligas metálicas de nióbio prometem próteses sem efeitos colaterais

Com informações do IPT - 12/02/2019

As peças iniciais estão sendo fabricadas com diferentes parâmetros para seleção daqueles que apresentem melhor desempenho.
[Imagem: IPT/Divulgação]

Próteses de nióbio e titânio

Ligas metálicas de alta tecnologia, usadas para fabricar supercondutores e peças de reatores de fusão nuclear, estão sendo reinventadas para um uso igualmente nobre: próteses para implantes biomédicos.

As ligas de nióbio-titânio (Nb-Ti) e titânio-nióbio-zircônio (Nb-Ti-Zr) foram as escolhidas por um consórcio coordenado pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) de São Paulo.

A primeira fase do trabalho consistiu na produção das ligas na forma de pós metálicos que cumprissem uma série de exigências necessárias para trabalhar com o sistema de deposição da manufatura aditiva, ou impressão 3D. Agora a equipe está se concentrando na fabricação e caracterização das peças, que será seguida pela execução de ensaios mecânicos.

Os primeiros protótipos de próteses de quadril - placas angulares do fêmur - estão sendo fabricadas pelo Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (Senai) de Joinville (SC).

Além do IPT, participam do projeto a Associação de Assistência à Criança Deficiente (AACD), a Associação Brasileira de Pesquisa e Inovação Industrial (Embrapii), a Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM), a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) e o Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Poli-USP.

Densidade e elasticidade

O objetivo da equipe é a obtenção de peças não apenas de alta densidade relativa, mas principalmente com baixo módulo de elasticidade (rigidez do material). As ligas comumente usadas em próteses têm um alto módulo de elasticidade, mas estudos recentes apontaram que o nióbio, quando adicionado ao titânio, pode reduzir esse valor.

Para o paciente, a importância do baixo módulo de elasticidade pode ser explicada pelo fato de o padrão normal de solicitação mecânica de um osso ser alterado de modo crítico quando um implante metálico é empregado em cirurgias ortopédicas. O osso e o implante passam a compartilhar a carga e, de acordo com a capacidade de adaptação do osso hospedeiro, pode ocorrer uma redistribuição da massa óssea, com desmineralização em regiões próximas ao implante.

"É preciso que o módulo de elasticidade da prótese seja o mais similar ao do osso para que não aconteça o chamado stress shielding, ou seja, a descalcificação. A intenção é que a carga do corpo fique distribuída tanto no osso quanto na liga," explica o engenheiro metalurgista Jhoan Sebastian Hernández, membro da equipe.

"Além de esta liga apresentar potencialmente baixo módulo de elasticidade, outra de suas vantagens está no fato de serem dois materiais inertes, ou seja, eles não reagem com o corpo humano", acrescenta o professor Daniel Leal Bayerlein.

A liga mais encontrada hoje no mercado para uso em próteses é formada de titânio-alumínio-vanádio, mas dois destes elementos (alumínio e vanádio) foram responsabilizados por diversas pesquisas de serem os agentes causadores de problemas de saúde, como doenças respiratórias, câncer e Mal de Alzheimer (DOI: 10.1038/srep14688).

Esquema do processo de fabricação das ligas metálicas de nióbio, titânio e zircônio.
[Imagem: Daniel Leal Bayerlein et al. (2018)]

Próteses sem efeitos colaterais

Os pós das ligas estão sendo fabricados de hidretação-moagem-dehidretação, mais conhecido como HDH, que é um processo de custo menor em comparação à atomização a plasma. Até agora foram produzidos três quilogramas dos materiais, suficientes para início dos testes.

As peças do chamado primeiro lote, que podem ser consideradas como as peças-piloto, estão sendo fabricadas com diversos parâmetros e, a seguir, submetidas a uma avaliação para seleção daqueles parâmetros que apresentaram melhor desempenho. "Em manufatura aditiva, com novos materiais, é preciso trabalhar com diferentes variáveis para atingir os parâmetros de alta densidade. Não existe uma receita pronta," ressalta Hernandez.

Os primeiros resultados do projeto foram apresentados em um congresso internacional sobre ciência e tecnologia de materiais, nos EUA.

"Professores e pesquisadores comentaram que estão buscando alternativas para troca da liga titânio-alumínio-vanádio por outros materiais. Eles não querem usar mais esta liga por conta das implicações no corpo humano; fomos os únicos no congresso a apresentar um estudo sobre a liga nióbio-titânio," contou Bayerlein.

O projeto tem previsão de finalização no primeiro semestre de 2020.