Anodização assistida por plasma (PEO) em liga de Ti6Al4V obtida por manufatura convencional e manufatura aditiva (DMLS), para aplicação biomédica

Abstract

Os revestimentos produzidos pelo processo de anodização assistida por plasma (PEO) podem ser usados para melhorar as propriedades de biocompatibilidade, desgaste e corrosão de implantes metálicos, devido a morfologia complexa e a formação de óxidos com a possibilidade da incorporação de elementos bioativos. Contudo, é necessária a compreensão do efeito dos parâmetros operacionais, bem como, do processo de fabricação sobre as propriedades desses revestimentos. O presente trabalho teve como objetivo avaliar o efeito da tensão na obtenção de revestimentos por PEO sobre a liga Ti- 6Al-4V produzida por manufatura convencional (laminada) e manufatura aditiva, pela técnica Sinterização Direta de Metal por Laser (DMLS), visando melhorar a resistência ao desgaste e diferenciação osteogênica de células-tronco mensenquimais. Os revestimentos foram obtidos em um eletrólito à base de Ca e P, aplicando-se diferentes tensões (200 V, 250 V e 300 V), utilizando-se para isso uma fonte de corrente alternada pulsada. As caracterizações morfológicas, estruturais e físico-químicas foram realizadas por: MEV/FEG; DRX; RBS; perfilometria de contato; determinação do ângulo de contato pelo método da gota séssil. O comportamento quanto a resistência ao desgaste foi avaliado em um tribômetro na configuração “ball-on-plate”. Os resultados mostraram que os revestimentos obtidos apresentaram morfologia porosa, com diferentes espessuras e rugosidades, sendo essas características dependentes da tensão aplicada. Os elementos bioativos (Ca e P) foram incorporados aos revestimentos e suas concentrações aumentaram com a tensão máxima aplicada. Os revestimentos foram constituídos principalmente de óxidos de titânio nas fases rutilo e anatase. A resistência ao desgaste da amostra obtida com a tensão de 300V (Ti-PEO300V) foi prejudicada pela presença de microtrincas em sua morfologia e sua grande rugosidade superficial, em relação a amostra obtida com a tensão de 200V (Ti-PEO200V). Além disso, os revestimentos obtidos sobre Ti-6Al-4V produzido pela técnica de manufatura aditiva, evidenciaram o efeito da microestrutura sobre as propriedades tribológicas e morfológicas, como: superior resistência ao desgaste e maior espessamento de camada, em relação aos resultados encontrados nos revestimentos obtidos sobre manufatura convencional. O estudo da citocompatibilidade com células-tronco mesenquimais (CTMs), revelou que a amostra Ti-PEO200V apresentou níveis de citocompatibilidade e adesão inicial superiores aos do substrato não revestido, além de capacidade inata de osteodiferenciação de CTMs, apresentando considerável potencial para uso em aplicações de reparo ósseo.

The coatings produced by the Plasma Electrolytic Oxidation (PEO) can be used to improve the biocompatibility, wear and corrosion properties of metallic implants, due to their complex morphology and the formation of oxides with the possibility of incorporating bioactive elements. However, it is necessary to understand the effect of operating parameters, as well as the manufacturing process on the properties of these coatings. The present work aimed to obtain PEO coatings on Ti-6Al-4V alloy produced by conventional manufacturing (laminated) and additive manufacturing, using the Direct Metal Laser Sintering (DMLS) technique, in order to improve the strength to wear and osteogenic differentiation. The coatings were obtained in an electrolyte based on Ca and P, applying different voltages (200 V, 250 V and 300 V), using a pulsed alternating current source. Morphological, structural and physicochemical characterizations were performed by: MEV/FEG; XRD; RBS; contact profilometry; determination of the contact angle by the sessile drop method. The wear resistance behavior was evaluated in a tribometer in the “ball-on-plate” configuration. The results showed that the coatings obtained presented porous morphology, with different thickness and roughness, these characteristics being dependent on the applied tension. Bioactive elements (Ca and P) were incorporated into the coatings and their concentrations increased with the maximum applied tension. The coatings consisted mainly of titanium oxides in the rutile and anatase phases. The wear resistance of the sample obtained with a voltage of 300V (Ti-PEO300V) was impaired by the presence of microcracks in its morphology and its great surface roughness, compared to the sample obtained with a voltage of 200V (Ti-PEO200V). Furthermore, the coatings obtained on Ti-6Al-4V produced by the additive manufacturing technique showed the effect of the microstructure on the tribological and morphological properties, such as: superior wear resistance and greater layer thickening. The study of cytocompatibility with mesenchymal stem cells (MSCs) revealed that the Ti-PEO200V sample showed excellent levels of cytocompatibility and initial adhesion, in addition to an innate ability to osteodifferentiate MSCs, showing considerable potential for use in bone repair applications.