Desenvolvimento de tubos metálicos de ferro puro obtidos via moldagem de pós metálicos por injeção aplicados a órteses cardiovasculares biodegradáveis

Abstract

No presente trabalho, foram produzidos tubos de ferro puro poroso cujas dimensões de parede são inferiores a 0,5mm fabricados por moldagem de pós por injeção, visando a utilização como biomaterial degradável aplicável para stents. A comparação de cargas injetáveis produzidas, tendo como base polímeros termoplásticos e elastômeros, tornou necessária ser testada, visando verificar qual possui a melhor capacidade de desmoldagem de tubos de parede fina. As propriedades mecânicas dos corpos produzido por moldagem de pós por injeção (MPI), submetido a um ambiente corpóreo simulado, foram levantadas no intuito de se determinar a máxima tensão e a tensão de ruptura que o material possui. A partir da exposição de amostras ao fluido corpóreo simulado (SBF- simulated body fluid), foi possível estimar por meio de cálculos a taxa de degradação in vitro, em um reator bioquímico projetado para simular a circulação do corpo humano. Assim, foi possível verificar as perdas de propriedades mecânicas ao longo do tempo, bem como o mecanismo de corrosão e seus subprodutos. Os resultados obtidos dos tubos analisados foram comparados com tubos de ferro puro fabricado por fusão e com o aço inoxidável AISI 316-L, reportados por literaturas tipicamente aplicado ao uso de stents. As amostras produzidas foram analisadas e apresentaram uma porosidade variando entre 8,8% a 13,5%. Ao se avaliar os resultados, se evidencia que o volume de vazios oriundos pelos poros e sua interconectividade afetam a taxa de corrosão. O ferro puro produzido por MPI no ensaio de tração para corpos de prova de “Dog Bone” exibiu valores de limite de escoamento (Re) entre 140 e 170 MPa, e os seus Módulos de Young (E) ficaram entre 110 e 180 GPa, o limite de tensão máxima média (σmed) de 265 MPa, enquanto o alongamento (δ) variou entre 40 e 70%. As amostras de tubos produzidas nesse trabalho atenderam de maneira satisfatória à tensão máxima de 0,6 MPa que a literatura refere ser a necessária para que o material suporte o tempo de permanência no corpo humano. As amostras foram testadas semanalmente durante o período de 14 semanas. Como parâmetro de referência, foi ensaiado um tubo sem estar submetido ao ambiente corpóreo simulado, e neste caso se obteve a tensão de cisalhamento máxima de 9 MPa. Por outro lado, a amostra que permaneceu por 14 semanas exposta à solução de Hank´s demonstrou a perda de aproximadamente 80% das propriedades mecânica iniciais, comparada com a amostra de referência sem passar pelo ambiente corpóreo simulado, ainda assim atendendo à exigência para implante. A taxa de degradação dos tubos produzidos por MPI foi superior à do ferro puro fabricado por fusão, segundo a citação da literatura, o que indica, que o material apresentará completa degradação em torno de 8 meses, conforme cálculos de estimativas. Por fim, os resultados indicam que a MPI é um processo de fabricação tecnicamente aplicável, para obtenção de estruturas tubulares de parede fina, mostrando se uma rota plenamente viável para produção de stens, tornando esta uma potencial rota de fabricação, promovendo uma diminuição nos custos de obtenção de implantes bioabsorvíveis de parede fina, conforme indicação de literatura.

In the present work, porous pure iron micro tubes were produced, whose dimensions are less than 0.5mm manufactured by injection molding, aiming to be used as a degradable biomaterial applicable to stents. The comparison of injectable fillers produced based on thermoplastic polymers and elastomers became necessary to be tested in order to verify which has the best demoulding capacity of thin wall tubes. The mechanical properties of the bodies produced by injection molding (PIM) submitted to a simulated body environment were raised in order to determine the maximum stress and rupture stress that the material has. From the exposure of samples to the FTS (simulated body fluid) it was possible to estimate by calculations the in vitro degradation rate in a biochemical reactor designed to simulate the circulation of the human body, thus it was possible to verify the loss of mechanical properties along as well as the corrosion mechanism and its by-products. The results obtained from the analyzed tubes were compared with the fusion fabricated pure iron and the AISI 316-L stainless steel reported by literature typically applied to the use of stents. The existence of pores is a factor that influences the degradation process. The samples produced were analyzed and presented a porosity ranging from 8.8% to 13.5%. By evaluating the results it is evident that the void volume from the pores and their interconnectivity affect the corrosion rate. The pure iron produced by MPI in the Dog Bone specimen tensile test, showed yield limit values (Re) between 140 and 170 MPa and its Young Modules (E) were between 110 and 180 GPa, mean maximum stress limit (σmed) of 265 MPa, while elongation (δ) ranged from 40 to 70%. Ductility is indicated as a desired property, as a characteristic for the materials used in cardiovascular orthoses, since the deformations that occur in the material are high during the period of stay in the human body. Shear stress is the main failure mechanism in tubular structures. The tube samples produced in this work satisfactorily met the maximum tension of 0.6 MPa that the bibliography refers to be necessary for the material to support the permanence time in the human body. Samples were tested weekly for 14 weeks. As a parameter a tube was tested without it being subjected to the simulated body environment, in this case the maximum shear stress of 9 MPa was obtained. On the other hand, the sample that remained exposed to Hank's solution for 14 weeks demonstrated the loss of approximately 80% of the initial mechanical properties compared to the sample without passing through the simulated body environment, yet meeting the requirement for implantation. The degradation rate of the tubes produced by MPI was higher than that of pure iron manufactured by fusion according to the bibliography citation, which indicates that the material will present complete degradation around 8 months, according to estimates calculations. Finally, the results indicate that MPI is a technically applicable manufacturing process, being a fully viable route, potentially being a manufacturing route that promotes a decrease in the manufacturing costs of thin-walled biodegradable implants, as indicated by specialized literature, as this will result in fewer production steps belonging to machining.