Estudo da nitretação a plasma da liga TI6AL4V ELI para aplicação ortopédica - Fontoura, Cristian Padilha (My University, 2020)
Titanium-made intra-corporeal implants are still a significant portion of arthroplasty metallic components, due to excellent biocompatibility and low allergenic and toxic features. However, surface modifications are of paramount importance for such applications, aiming performance improvement. In this work, plasma nitriding of Ti6Al4V in a hollow cathode setting was statistically evaluated by varying different times and temperatures of process and assessing the resulting surfaces. All surfaces showed a micro-scale layer, containing titanium nitrides. The nitrided disks showed increased wettability, roughness and hardness, due to the nitrogen penetration into the substrates. An optimal point for plasma nitriding at 940 °C for 3 hours was achieved. Wear and corrosion tests were carried out to evaluate the tailored surface in comparison to the pristine samples. A significant improvement in wear was observed, with a wear coefficient about thrice smaller than the original one, due to the hardened, ceramic-like compound layer. The corrosion tests outcome points to a surface responding slightly worse in a body fluid solution, but not enough to make it bioincompatible. Biological assays showed that the nitrided surface is not toxic, according to ISO standardized in vitro cytotoxic analysis and cell adhesion tests through L929 mouse fibroblast cell lines. Cell proliferation decreased over the treated samples, in part due to modifications on micro-grooved surface and its hydrophilic character.
Os implantes intra-corpóreos feitos com titânio ainda são uma parcela significativa dos componentes metálicos da artroplastia, devido à excelente biocompatibilidade e baixas características alergênicas e tóxicas. No entanto, modificações de superfície são de suma importância para tais aplicações, visando a melhoria de desempenho tribológico. Neste trabalho, a nitretação a plasma de Ti6Al4V em configuração cátodo oco foi analisada estatisticamente, variando-se tempos e temperaturas do processo e avaliando-se as superfícies resultantes. Todas as superfícies mostraram uma camada em microescala, contendo nitretos de titânio. Os discos nitretados apresentaram maior molhabilidade, rugosidade e dureza, devido à penetração de nitrogênio nos substratos. Uma condição ideal para nitretação a plasma a 940 °C por 3 horas foi alcançada. Testes de desgaste e corrosão foram realizados para avaliar a superfície resultante em comparação com as amostras originais. Observou-se uma melhoria significativa na resistência ao desgaste, com um coeficiente de desgaste cerca de três vezes menor do que o original, devido à camada de compostos de caráter cerâmico. O resultado dos ensaios eletroquímicos aponta para uma superfície mais corrosiva em uma solução de fluido corporal, mas não o suficiente para torná-la bioincompatível. Ensaios biológicos mostraram que a superfície nitretada não é tóxica, de acordo com a análise citotóxica in vitro padronizada pela ISO e os testes de adesão celular através de linhas celulares de fibroblastos de camundongo L929. A proliferação celular diminuiu ao longo do tempo nas amostras tratadas, em parte devido à superfície micro-ranhurada e seu caráter hidrofílico.
Keywords: Materiais biomédicos; Biocompatibilidade; Nitruração; Ligas de titânio; Biomedical materials; Biocompatibility; Nitriding; Titanium alloys