O que são ligas de titânio biomédicas e quais são suas aplicações?

As ligas de titânio biomédicas são utilizadas em implantes e dispositivos médicos, pois combinam biocompatibilidade, resistência à corrosão, resistência mecânica útil e densidade relativamente baixa. O titânio comercialmente puro e o Ti-6Al-4V são materiais consagrados, enquanto as ligas β de menor módulo de elasticidade estão sendo estudadas para reduzir a incompatibilidade de rigidez com o osso. Suas aplicações e escolhas de materiais são comparadas a seguir.

O que é uma liga de titânio biomédica?

Os materiais biomédicos interagem com os sistemas biológicos para diagnosticar, tratar, reparar ou substituir tecidos e órgãos, ou para melhorar seu funcionamento. Entre eles estão metais médicos, polímeros e cerâmicas. Os metais são especialmente importantes em produtos ortopédicos e cardiovasculares. O titânio apresenta uma resposta biológica favorável, boa compatibilidade com os tecidos e ausência de comportamento magnético inerente, o que justifica seu amplo uso na área médica.

As ligas de titânio biomédicas combinam biocompatibilidade, desempenho mecânico, resistência à corrosão e baixa densidade. A alta resistência e um módulo de elasticidade relativamente baixo podem reduzir o efeito de blindagem de tensão e favorecer a consolidação óssea. O titânio é bioinerte e resistente à corrosão em ambientes fisiológicos. Sua densidade é cerca de 56% da do aço inoxidável, o que reduz o peso do implante. O desenvolvimento evoluiu do titânio comercialmente puro e da liga Ti-6Al-4V para ligas modificadas e ligas de titânio β de baixo módulo.

Classificação e propriedades mecânicas

As ligas de titânio biomédicas são classificadas, com base na microestrutura, como ligas α, α+β ou β. O titânio comercialmente puro e a liga Ti-6Al-4V continuam sendo amplamente utilizados na prática clínica. As ligas β de menor módulo de elasticidade e com biocompatibilidade aprimorada constituem um dos principais focos de pesquisa.

As ligas de segunda e terceira geração geralmente apresentam módulo de elasticidade mais baixo e utilizam quantidades crescentes de nióbio. O Ti-35Nb-7Zr-5Ta e os sistemas relacionados de Ti-Nb-Ta-Zr estão entre os materiais com menor módulo de elasticidade listados aqui. O módulo de elasticidade listado é de 55 GPa para o Ti-35Nb-7Zr-5Ta, em comparação com aproximadamente 30 GPa para o osso. As ligas β superelásticas de Ti-Nb são particularmente bem estudadas.

As novas ligas β incluem os sistemas Ti-Nb, Ti-Mo, Ti-Zr e Ti-Ta. Os elementos potencialmente nocivos V, Al, Ni e Cr estão sendo cada vez mais substituídos pelos biocompatíveis Nb, Zr, Ta, Sn, Pt e Mo. As ligas de Ti-Nb apresentam baixo módulo de elasticidade, evitam o uso de alumínio e vanádio e são amplamente estudadas como metais para uso médico.

Propriedades biomédicas

Alta resistência específica

As ligas de titânio têm uma densidade próxima a 4,51 g/cm³, cerca de 60% em relação ao aço. O titânio puro se aproxima da resistência do aço comum, enquanto as ligas de titânio de alta resistência superam muitos aços estruturais. Sua elevada relação resistência/densidade permite a fabricação de componentes resistentes, rígidos e leves. As ligas α convencionais utilizadas na área médica podem causar proteção contra tensões devido ao seu módulo de elasticidade mais elevado. A ligação, a deformação plástica e o tratamento de solução podem modificar a estrutura cristalina e reduzir o módulo de elasticidade do implante.

Resistência à corrosão

As ligas de titânio apresentam desempenho superior ao do aço inoxidável em ambientes com ar úmido e água do mar e resistem à corrosão por pite, ao ataque ácido e à corrosão sob tensão. Elas também resistem a álcalis, cloretos, compostos orgânicos clorados, ácido nítrico e ácido sulfúrico, embora seu desempenho seja inferior em alguns meios redutores ou que contenham cromato.

1. O Ti-39Nb apresenta um comportamento de degradação por corrosão em solução salina fisiológica comparável ao do titânio puro e tem um desempenho substancialmente melhor em ambientes que contêm flúor.
2. O Ti-10Nb-10Zr apresenta bom desempenho em solução de NaCl a 3,51 TP33T e em saliva artificial, com uma taxa de degradação particularmente baixa na saliva artificial.
3. As ligas Ti-26Nb-4Zr-3Mn e Ti-26Nb-4Zr-5Mn apresentam altos potenciais de corrosão e baixas densidades de corrente na solução de Hank, o que indica boa resistência à corrosão.