Processamento e caracterização de compósitos de Ti-HAP para aplicações biomédicas

Abstract

Este estudo partiu da necessidade de desenvolver materiais com propriedades mais adequadas a uma utilização em aplicações biomédicas em geral e em implantes em particular. Capacidade de osseintegração, alta biocompatibilidade e propriedades mecânicas adequadas são os aspetos mais relevantes em materiais para implantes. O objetivo desta dissertação focou-se no estudo das propriedades mecânicas e morfológicas de compósitos à base de uma liga de titânio (Ti6Al4V) e hidroxiapatite (HAP), obtidos por prensagem a quente, para produção de materiais compósitos. O TIi6Al4V constituiu a matriz do compósito e a HAP (material bioativo e promotor de formação óssea) foi adicionado em percentagens de 5%, 10%, 15%, 20% e 25% (vol.%). As misturas de Ti6Al4V/HAP foram processadas num forno de prensagem a quente (hot pressing), a uma pressão de 20 MPa, temperatura de 1100° C durante 30 minutos e numa atmosfera de vácuo primário. A caracterização das microestruturas das amostras foi realizada recorrendo a técnica de MEV e EDS para a análise da microestrutura e da composição química, respetivamente. A caracterização mecânica foi feita com recurso a uma máquina de ensaios universal e a um durómetro para avaliação da resistência mecânica e durezas das amostras. Verificou-se que o limite máximo de introdução de HAP no compósito Ti6Al4V/HAP foi de 25%. Acima deste percentual o compósito perde as propriedades de coesão necessárias ao seu manuseamento. A HAP não apresentou degradação significativa na temperatura de processamento utilizada. Os compósitos com 10% e 15% HAP apresentaram os maiores valores de resistência ao corte e microdureza. Este trabalho demonstrou a viabilidade e as também as limitações da produção de compósitos de Ti6Al4V/HAP pela técnica de prensagem a quente (hot pressing).

This study aimed at developing biomaterials for biomedical applications, namely for implants. Bone growth, high biocompatibility and adequate mechanical properties are the most relevant characteristics for these kinds of materials. This thesis focuses on the study of the mechanical and morphological properties composites based on titanium alloy (Ti6Al4V) and hydroxyapatite (HAP) for the production of composite materials. The composites were obtained by hot pressing. The Ti6Al4V alloy was the matrix and HAP (the bioactive material and bone growth promoter) was added in percentages of 5%, 10%, 15%, 20% and 25% (vol.%). The Ti6Al4V/HAP mixtures were processed in an hotpressing equipment, at a pressure of 20 MPa, temperature of 1100°C, for 30 min and low vacuum atmosphere. Microstructure characterization of the samples was done by SEM and the chemical composition analysis by EDS. The mechanical characterization was done in an universal testing machine and in a durometer, to evaluate the samples mechanical strength and hardness, respectively. It was verified that the limit for HAP introduction in the Ti6Al4V/HAP composite was 25% (vol.%). Above this value, the composite loses its cohesive strength even for regular handling. The HAP did not show to loose properties when processed at the defined sintering temperature. The highest values of shear strength and hardness is achieved for composites with 10% and 15 % of HAP. This work showed the feasibility and the limitations of the production of Ti6Al4V/HAP composites by the hot pressing technique.