Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Os nanocompÃsitos a base de fosfatos de cÃlcio contribuem significativamente em tratamentos traumatolÃgicos, na cicatrizaÃÃo da estrutura Ãssea traumatizada, na regeneraÃÃo Ãssea e na reconstituiÃÃo Ãssea. Este trabalho teve como objetivo a produÃÃo de nanocompÃsitos a partir de pÃs de biocerÃmicas obtidas por precipitaÃÃo em soluÃÃo aquosa, reforÃados com diÃxido de silÃcio (SiO2). Os nanocompÃsitos foram produzidos em laboratÃrio com a adiÃÃo de sÃlica nanomÃtrica nas proporÃÃes de 15%, 35% e 50% em peso ao beta fosfato tricÃlcio nanomÃtrico. As amostras foram caracterizadas por difraÃÃo de raios-X, espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), microscopia eletrÃnica de varredura (MEV), espectroscopia de energia dispersiva de raios-x (EDX) e ensaio de resistÃncia mecÃnica por compressÃo diametral em amostras prensadas. Com os resultados de raios-X foi possÃvel identificar os picos representativos do beta fosfato tricÃlcio e observar que a intensidade dos picos diminui com o aumento da porcentagem de sÃlica nos nanocompÃsitos. Na anÃlise de FTIR foi possÃvel identificar os grupos presentes nos nanocompÃsitos. Os resultados obtidos na anÃlise de caracterizaÃÃo morfolÃgica apresentaram uma superfÃcie formada por partÃculas equiaxiais interligadas, e nÃo foi possÃvel verificar a dispersÃo das nanopartÃculas de sÃlica. Os ensaios de resistÃncia à traÃÃo por compressÃo diametral nas diferentes composiÃÃes de nanocompÃsitos mostraram que a porcentagem de sÃlica presente influencia na resistÃncia mecÃnica do material. / Calcium phosphate nanocomposites can be very useful in traumatologic treatments, for the healing of traumatized bone structure, for bone regeneration and bone reconstruction. This work aimed at the production of nanocomposites where a bioceramic matrix is reinforced with nanocrystalline silica (SiO2) particles. The matrix was produced from bioceramic nanopowders (beta tricalcium phosphate, β-TCP) obtained by precipitation in aqueous solution. The nanocomposites were produced in the laboratory by adding nanometric silica particles to the nanometric β-TCP in proportions 15%, 35% e 50% by weight. The material was characterized by x-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and diametral compression testing of pressed disk samples. XRD results presented the characteristic peaks of β-TCP, which became less intense as the amount of silica particles increased. FTIR spectra allowed for the identification of groups present in the nanocomposites. SEM micrographs gave an idea of the microstructural of morphological aspects of the material, and showed that the surfaces consisted of a network of interconnected equiaxed particles. It was not possible to observe the dispersion of the silica particles. Diametral compression test results showed that the amount of silica influences the mechanical strength of the nanocomposite.

Os aços inoxidáveis ferríticos são naturalmente ferromagnéticos, o que impossibilita sua utilização em próteses ortopédicas. Apesar disso, em algumas aplicações específicas, faz-se necessário o uso de um biomaterial ferromagnético, como nas próteses odontológicas e faciais com conectores magnéticos. Este trabalho apresenta o estudo da resistência à corrosão e citotoxicidade do aço inoxidável ferrítico AISI 444, para avaliar seu potencial de uso como um biomaterial. O aço AISI 444 possui baixo teor de níquel, teores extrabaixos de intersticiais (C e N) e é estabilizado com Ti e Nb. Como materiais de referência foram utilizados o aço inoxidável austenítico ISO 5832-1 (ASTM F-138), por ser o biomaterial metálico mais empregado na fabricação de próteses ortopédicas, e uma base ferromagnética do sistema de fixação de próteses odontológicas, feita em aço inoxidável ferrítico (NeoM). O ensaio de citotoxicidade in vitro, pelo método de incorporação do corante vermelho neutro, revelou que o aço inoxidável AISI 444 não apresentou citotoxicidade. O comportamento frente à corrosão foi estudado por meio de curvas de polarização anódica potenciodinâmicas e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE). O meio de ensaio foi uma solução salina tamponada de fosfato (PBS), em condição naturalmente aerada e em fresta, a temperatura de 37 ºC. Para simular a condição de fresta dos ensaios eletroquímicos foi desenvolvido um novo equipamento. As propriedades eletrônicas do filme passivo foram avaliadas pela técnica de Mott-Schottky. Em meio aerado, os resultados de EIE indicaram que todos os materiais se mostraram passivos. As curvas de polarização indicaram que a resistência à corrosão por pite do aço AISI 444 foi equivalente à do aço ISO 5832-1, porém superior à do NeoM. Pelos diagramas de Mott-Schottky, conclui-se que o filme óxido no aço AISI 444 possui menor concentração de dopantes que o aço NeoM. Isto sugere que o aço AISI 444 apresenta maior resistência à transferência de carga através do filme passivo. Em condição de fresta, as polarizações indicaram taxas de corrosão baixas para ambos os aços, porém superiores para o aço ISO 5832-1, em comparação ao aço AISI 444. As micrografias das superfícies dos aços, após polarização, revelaram um maior ataque corrosivo no aço ISO 5832-1 do que no aço AISI 444. O aço NeoM apresentou composição química fora da especificação da norma. Os baixos teores de Cr e de Mo, além das altas concentrações de sulfetos, foram as prováveis causas da menor resistência à corrosão do NeoM, indicada pelos ensaios eletroquímicos. O equipamento proposto para avaliação da resistência à corrosão, em condição de fresta, mostrou boa reprodutibilidade de resultados. O aço inoxidável AISI 444 apresentou alta potencialidade para uso como biomaterial, especialmente na fabricação de componentes protéticos com fixação magnética. / Ferritic stainless steels are ferromagnetic materials. This property does not allow their use in orthopedic prosthesis. Nevertheless, in some specific applications, this characteristic is very useful, such as, for fixing dental and facial prostheses by using magnetic attachments. In this study, the corrosion resistance and cytotoxicity of the AISI 444 ferritic stainless steel, with low nickel content, extra-low interstitial levels (C and N) and with the addition of Ti and Nb as stabilizers, were investigated to evaluate its potentiality for biomaterials fabrication. The ISO 5832 austenitic stainless steel (SS) and a commercial universal keeper for dental attachment (Neo-magnet System) were evaluated for comparison reasons. The first stainless steel is the most used metallic material for orthopedic prostheses fabrication, and the second one, is a ferromagnetic keeper for dental prostheses (NeoM). In vitro cytotoxicity analysis was performed by the red neutral incorporation method. The results showed that the AISI 444 stainless steel is non cytotoxic. The corrosion resistance was studied by anodic polarization methods and electrochemical impedance spectroscopy (EIS), in a saline phosphate buffered solution (PBS) at 37 °C, either naturally aerated or under crevice condition. A new device was developed to simulate the crevice condition on electrochemical tests. The electronic properties of the passive film formed on AISI 444 SS were evaluated by the Mott-Schottky approach. All tested materials showed passivity in the PBS medium and the passive oxide film presented a duplex nature. In aerated condition, the resistance to pitting corrosion associated to AISI 444 SS was similar to that of the ISO 5832 SS and both were superior to that of the NeoM SS. The 444 SS oxide film showed lower dopants concentration than the NeoM SS, suggesting that the 444 SS film presents a higher resistance to charge transfer through it than the fim on the NeoM SS. Under crevice conditions, the potentiodinamic polarization tests indicated low corrosion rates for both steels, but slightly higher for the ISO 5832 SS when compared to the AISI 444 SS tested. Observation of the surface, after crevice polarization, indicated a larger area of corrosive attack on the ISO 5832-1 SS than on the AISI 444 SS.The chemical composition of the NeoM SS was out of the standard specification. The low levels of Cr and Mo in the NeoM, and the high concentration of MnS precipitates, are the probable cause of its lower corrosion resistance. The new devide proposed for crevice corrosion resistance evaluation, showed good reproducibility of results.The AISI 444 stainless steel showed a high potential for use as a biomaterial, especially for the manufacture of prosthetic components with magnetic attachment.

Biomateriais para uso em implantes devem exibir propriedades como biocompatibilidade, biofuncionalidade e resistência à corrosão. O uso do titânio e suas ligas em aplicações biomédicas vem continuamente aumentando devido à sua maior taxa resistência-peso, superior biocompatibilidade e resistência à corrosão, boas propriedades mecânicas e baixo módulo de elasticidade quando comparado a outros materiais biomateriais metálicos como aço inox e ligas Co-Cr. Um importante aspecto para o sucesso de um implante é a utilização de materiais com módulo de elasticidade baixo, próximo ao do osso, pois estudos indicam que a transferência insuficiente de carga entre implante e osso pode resultar em reabsorção óssea e afrouxamento do implante, que é chamado efeito de blindagem de tensão (stress shielding effect). A liga ternária Ti13Nb13Zr apresenta em sua composição somente elementos considerados biocompatíveis, possui menor módulo de elasticidade que ligas Co-Cr, aço inox e Ti6Al4V, e superior resistência à corrosão. Neste trabalho foi estudado o efeito do teor de nióbio e zircônio nas propriedades mecânicas da liga ternária TiNbZr numa faixa de composições com quantidade de titânio constante em 74 %peso e teor de Nb e Zr variando entre 6 e 20 %peso, produzida por metalurgia do pó a partir de pós hidrogenados e método de mistura elementar, após diferentes condições de processamento e tratamentos térmicos. Os resultados de caracterização microestrutural obtidos por MEV e difração de raios X mostraram que o aumento do teor de Nb não produziu alterações significativas na fração volumétrica das fases e e, o aumento do teor de Zr proporcionou o aumento da fração de fase , favorecendo a formação da estrutura de Widmanstätten. O aumento dos teores de Nb e Zr produziram alterações nas microestruturas dos materiais que levaram ao aumento dos valores de módulo de elasticidade e dureza, e com aumento do teor de Zr houve aumento da susceptibilidade à corrosão. Nas condições de processamento utilizadas, a liga Ti13Nb13Zr apresentou as propriedades mecânicas e microestruturais mais indicadas para utilização como biomateriais. / Biomaterials for use in implants must be biocompatible, biofunctional and resistant to corrosion. Utilization of titanium and its alloys is continuously increasing due to their larger strength-weight ratio, superior biocompatibility e corrosion resistance, good mechanical properties and low elastic modulus when compared to other metallic biomaterials such as stainless steel and Co-Cr alloys. Using materials with low elastic modulus, close to bone values, is important to reduce stress shielding effect, which can cause implant loosening. Ti13Nb13Zr ternary alloy shows only elements considered biocompatible and has a lower elastic modulus than Co-Cr alloy, stainless steel and Ti6Al4V, and superior corrosion resistance. In this work TiNbZr alloy was prepared in different compositions, maintaining Ti content at 74%wt with Nb and Zr contents ranging amongst 6 and 20%wt, produced by powder metallurgy using different processing conditions and heat treatments. Characterization via SEM and X-Ray diffraction showed that the Nb increase didnt produce significant alterations on volume fraction of and phases in the material, and the increase in Zr content led to an increase in phase amounts and formation of Widmanstätten patterns. Nb and Zr content increasing produced microstructural modifications, leading to an increase in elastic modulus and hardness values, as well as corrosion susceptibility variations, where higher Zr contents leaded to a surface with less corrosion resistance. Amongst compositions and for the designed processing method, Ti13Nb13Zr presented the most indicated mechanical and microstructural properties for utilization as biomaterials.

Biomateriais metálicos devem apresentar uma combinação de propriedades como resistência à corrosão, biocompatibilidade e resistência mecânica. Os aços inoxidáveis austeníticos, especialmente do tipo AISI 316L, aliam estas propriedades com a possibilidade de fabricação a um baixo custo. No entanto, são susceptíveis à corrosão nos fluidos fisiológicos e seus produtos de corrosão podem causar reações alérgicas ou infecciosas nos tecidos vizinhos ao implante. No presente trabalho, a aplicação de revestimentos obtidos por processos de deposição física de vapor (PVD) sobre um aço inoxidável austenítico do tipo AISI 316L foi realizada a fim de aumentar sua resistência à corrosão e biocompatibilidade. Os filmes depositados foram de nitreto de titânio (TiN), carbonitreto de titânio (TiCN) e de carbono tipo diamante (DLC). Estes materiais têm alta dureza e resistência ao desgaste, além de biocompatibilidade intrínseca, características altamente desejáveis para aplicações biomédicas. A caracterização do comportamento eletroquímico do aço com os três tipos de revestimentos mostrou que a presença de defeitos na superfície das camadas depositadas exerce uma influência negativa sobre a resistência à corrosão do substrato. A presença dos defeitos foi evidenciada por microscopia eletrônica de varredura. Foi proposto um mecanismo, com base nos dados obtidos por espectroscopia de impedância eletroquímica, para explicar a evolução do comportamento eletroquímico do aço com os diferentes revestimentos ao longo do tempo de imersão. Foram também empregados dois tratamentos de passivação da superfície do aço em soluções de ácido sulfúrico e ácido nítrico, a fim de aumentar a resistência à corrosão do substrato. Os resultados indicaram que os tratamentos utilizados não foram eficientes para melhorar esta característica, mas podem ser modificados visando um desempenho superior. As propriedades eletrônicas dos filmes passivos formados, tanto sobre o aço sem tratamento de passivação como sobre o aço passivado, foram estudadas utilizando a abordagem de Mott-Schottky. Os filmes apresentaram um caráter duplex, mostrando comportamento de um semicondutor altamente dopado acima e abaixo do potencial de banda plana. A concentração de dopantes no filme passivo foi associada à resistência à corrosão do material. Os três revestimentos PVD investigados apresentaram comportamento não citotóxico. Considerando a diminuição do coeficiente de atrito do aço 316L, os revestimentos de TiCN e o DLC foram os mais eficientes. Estas características, aliadas ao fator custo, sugerem que a aplicação comercial destes materiais sobre implantes ortopédicos pode ser viável. No entanto, a resistência à corrosão, conforme a avaliação realizada no presente estudo, não foi adequada quando comparada ao desempenho do aço sem nenhum tipo de revestimento. Ao final do texto, são apresentadas algumas sugestões a fim de conseguir um desempenho superior para a capacidade protetora dos revestimentos PVD. / Metallic biomaterials must present a combination of properties such as corrosion resistance, biocompatibility and mechanical resistance. Austenitic stainless steels, especially AISI 316L combine these properties with the easy of fabrication at low cost. However, they are prone to corrosion in physiological solutions. Furthermore, their corrosion products may lead to infectious ou allergenic reactions in the tissues around the implant device. In the present work, coatings produced by physical vapour deposition (PVD) methods have been applied on the surface of a 316L stainless steel to increase its corrosion resistance and biocompatibility. Three thin films were tested: titanium nitride (TiN), titanium carbonitride (TiCN) and diamond-like carbon (DLC). These materials present high hardness, wear resistance and intrinsic biocompatibility that are key features when considering biomedical applications. The characterization of the electrochemical behavior of the stainless steel coated with the three different films showed that the presence of surface defects are deleterious to the corrosion resistance of the substrate. These defects were observed using scanning electron microscopy. The evolution of the electrochemical behavior of the coated steel was explained through a mechanism based on the experimental results obtained using electrochemical impedance spectroscopy. Two different passivation treatments were carried out on the stainless steel surface, either in sulfuric or nitric acid solutions, to increase its corrosion resistance. The results suggested que these treatments were not efficient, but may be modified to improve its performance. The electronic properties of the passive films of the non-passivated and passivated stainless steel were studied using the Mott-Schottky approach. The films presented a duplex character. Below the flatband potential the behavior is typical of a highly doped type-p semiconductor. Above the flatband potential is typical of a highly doped type-n semiconductor. The doping concentration in the passive film was determined and associated with the corrosion resistance of the substrate. All PVD coatings investigated showed non-cytotoxic behavior. DLC and TiCN coatings decreased the friction coefficient of the stainless steel substrate. These properties allied with the stainless steel low cost recommend their commercial use for implants materials purposes. Nevertheless the corrosion resistance presented by the coated-steel was inferior to that of the bare steel and should be improved. At the end of the present text, some suggestions are proposed in order to improve the corrosion protection performance of the PVD coatings.

O objetivo deste estudo foi a análise da interface entre o implante derivado do polímero da mamona (Ricinus communis) com o canal medular ósseo, por meio dos estudos de diagnósticos por imagem (radiografias simples e tomografias computadorizadas) e análise histológica (microscópica de luz). Foram selecionados 44 coelhos machos, Oryctolagus cuniculus, da linhagem Nova Zelândia, albinos, divididos em dois grupos, sendo o grupo 1, composto por 12 animais controle, cujas fresagens do canal medular foram produzidas bilateralmente nas tíbias e não preenchidas, o grupo 2, com 30 animais, cujos canais medulares da tíbia, após fresagem, foram preenchidos bilateralmente com os cilindros derivados da poliuretana da mamona. Os 30 animais foram divididos aleatoriamente em 3 subgrupos experimentais (G2a, G2b e G2c) de 10 animais, conforme as datas de eutanásia pré-determinadas em 90, 120, 150 dias após o ato operatório. O mesmo foi feito no grupo controle, com mesma data de eutanásia, sendo realizadas em 3 grupos de 4 animais. Um animal não foi submetido ao procedimento de fresagem, sendo utilizado para controle histológico e outro foi morto após o implante do polímero, sendo utilizado para controle do estudo com tomografia computadorizada. Decorridos os períodos experimentais, os animais foram mortos, as peças removidas e submetidas ao processamento histológico. A análise histológica foi realizada subjetivamente em microscópio óptico, observando-se a presença ou não de um processo inflamatório, tipo e grau do mesmo quando presente, de uma cápsula fibrosa envolvendo o material implantado e da seqüência biológica envolvida no reparo do tecido ósseo. No grupo experimental, aos 90 dias, a interface com o polímero apresentava espessa camada de tecido ósseo neoformado rico em osteócitos. Este tecido encontrava-se em processo de amadurecimento. No período de 120 dias, a superfície interna do osso neoformado encontrava-se em franco processo de amadurecimento, com poucos osteócitos no interior da matriz e a organização das fibras colágenas em lamelas concêntricas. Aos 150 dias, havia uma diminuição de osteócitos, com formação tecido ósseo bem organizado. No grupo controle, a superfície interna junto ao canal medular apresentava-se revestida por osteoblastos, seguida de faixa de tecido ósseo, com poucas lacunas preenchidas por osteócitos. O amadurecimento do tecido da superfície interna medular acontece na região interior, sendo o osso alamelar, constituído por fibras colágenas menos amadurecidas que o osso lamelar. A avaliação por radiografias simples não demonstrou ser um método eficaz para identificar a interação do polímero e o tecido ósseo. Nos grupos de animais mortos após 90, 120 e 150 dias, as imagens tomográficas demonstraram não haver espaço entre a superfície do material e do osso na interface implante/medula óssea. A densidade dos tecidos medida junto a esta interface foi igual à densidade das demais porções da medula óssea. A análise histológica demonstrou que o polímero é biocompatível, osteoindutor e osteocondutor. A análise radiográfica permitiu documentar a posição intramedular do polímero e as imagens tomográficas demonstraram limites mal definidos entre o implante e o canal medular, evidenciando, assim, a boa interação entre ambos. / The purpose of this study was to analyze the interface between the implant derived from castor oil polymer (Ricinus communis) and the bone medullary canal by diagnostic imaging (conventional radiography and computed tomography) and histological analysis (optical microscopy). For such purpose, 44 rabbits (Oryctolagus cuniculus, New Zealand, albinus) were selected and assigned to two groups. In group 1, composed of 12 animals (control), reamings of the medullary canal were produced bilaterally in the tibiae of the rabbits and were not filled. In group 2, composed of 30 animals, the medullary canals of the tibiae, after reaming, were filled bilaterally and implanted with cylinders derived from castor oil polyurethane. The 30 animals were randomly divided into 3 experimental subgroups (G2a, G2b and G2c), according to the periods of predetermined euthanasia, i.e., 90, 120 and 150 days postoperatively. The same protocol was carried out for the control group, with the same euthanasia dates (3 groups of 4 animals each). One animal was not submitted to the reaming process and served as a histological control; another animal was sacrificed after placement of the polymer implant and served as a control for computed tomography imaging. Euthanasia was performed at the established experimental periods and the pieces were removed and submitted to standard histological processing. The histological analysis was carried out subjectively in optical microscopy and the following events were assessed: presence or not of inflammatory process, type and severity of the inflammatory process (if present), presence of a fibrous capsule surrounding the implanted material and the biological sequence involved in bone tissue healing. In the experimental group, at 90 days, the interface with the polymer presented a thick layer of neoformed bone tissue rich in osteocytes. This tissue was in an ongoing maturating process. In the 120-day period, the internal surface of the neoformed bone was in frank maturating process, with few osteocytes within the matrix and collagen fibers organized in concentric lamellas. At 150 days, there was a decrease in the number of osteocytes, with the formation of a well-organized bone tissue. In the control group, the internal surface close to the medullary canal was lined with osteoblasts, followed by a bone tissue zone with few lacunae filled with osteocytes. The maturation of the tissue of the medullary internal surface occurs in the inner region, the bone being alamellar, i.e., constituted of collagen fibers less maturated than the lamellar bone. The evaluation by conventional radiography demonstrated not to be an effective method to identify the interaction between the polymer and the bone tissue. In the groups of animals sacrificed at the 90th, 120th and 150th postoperative days, the computed tomography images showed no space between the material surface and the bone at the implant/bone marrow interface. The density of the tissues, measured close to this interface was similar to the density measured in the other areas of the bone marrow. The histological analysis demonstrated that the polymer is biocompatible, osteoinductive and osteoconductive. The radiographic analysis allowed documenting the intramedullar position of the polymer, while the tomographic images demonstrated ill-defined limits between the implant and the medullar canal, therefore evidencing a good interaction between them.

O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um novo material nanocompósito com propriedades biocidas, alta porosidade e alta permeabilidade ao ar, possibilitando sua aplicação na área biomédica. Neste trabalho, foram desenvolvidas membranas compósitas de poliuretano termoplástico (TPU) contendo prata (Ag) e óxido de zinco (ZnO), a partir da evaporação de soluções durante o processo de eletrofiação. Mediu-se as propriedades de viscosidade e de condutividade elétrica das soluções preparadas para eletrofiação. Avaliou-se a modificação da morfologia do material pelo uso de vários solventes em diferentes concentrações. Uma morfologia mais uniforme das membranas contendo fibras eletrofiadas foi obtida com o sistema de solventes tetra-hidrofurano (THF) e dimetilformamida (DMF), na proporção de 50:50. A avaliação da morfologia e da distribuição da fase dispersa inorgânica nas membranas foi efetuada utilizando-se microscopia ótica (MO) e microscopia eletrônica de varredura (MEV), e a formação de fibras com diâmetros na faixa de 250 a 800 nanômetros foi observada. As fases dispersas apresentaram-se distribuídas na membrana, sem a presença de regiões de aglomeração. A presença de prata ou de óxido de zinco nas membranas eletrofiadas foi confirmada através da espectroscopia de energia dispersiva de raios- X (EDS) e por difratometria de raios-X. As propriedades bactericidas das membranas compósitas de TPU/ZnO e TPU/Ag foram avaliadas e estabelecidas em testes com as bactérias S. aureus e K. pneumoniae. O teste de citotoxicidade das membranas de TPU foi executado e numa avaliação inicial foi observada a sua biocompatibilidade. / The aim of this study is to develop nanostructured polyurethane composite membranes which have antibacterial properties, high porosity and high air permeability, suitable for medical applications. Membranes of thermoplastic polyurethane (TPU) having silver and zinc oxide particles as additives were prepared by electrospinning. The impact of the solvents nature on the electrospinning process was studied. The best results were obtained using a mixture of tetrahydrofuran (THF) and dimethylformamide (DMF), at 50:50 ratio. Viscosity and electrical conductivity of the solutions were measured. Morphology of the membranes formed by the fibers was verified using optical microscopy and scanning electron microscopy, and fibers presenting diameters from 250 to 800 nanometers were observed. The presence of silver and zinc oxide particles in the membranes was confirmed using energy dispersive X-ray spectrometry and wide angle X-ray diffractometry. Antibacterial properties of the membranes were evaluated by testing its activity against suspensions of S. aureus and K. pneumoniae. Additionally, cytotoxicity tests were performed for initial evaluation of the biocompatibility of the TPU membranes having silver as additive.

Atualmente a área de saúde vem buscando auxílio na engenharia para a contribuição no estudo e confecção de próteses para casos específicos de fraturas ou doenças ósseas. Com o avanço da tecnologia surgiram processos de manufatura que tornam possível a fabricação de próteses personalizadas. Uma dessas tecnologias é a manufatura aditiva. O grande desafio no momento está na fabricação de próteses por manufatura aditiva que combinem desempenho biomecânico e resistência estrutural. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é desenvolver elementos de fixação, especificamente âncoras de sutura de polímeros PEEK e PEKK, considerando seus requisitos estruturais através de simulações pelo método dos elementos finitos, e considerando que sejam fabricadas através de processos de manufatura aditiva. Este desenvolvimento permitirá a substituição de âncoras de sutura de liga de titânio, hoje largamente empregadas pelos cirurgiões, por âncoras de sutura de polímeros biocompatíveis, o que possibilitará que estes polímeros sejam absorvidos pelo corpo humano em curto e médio prazo, permitindo a completa restituição do osso afetado, melhorando a qualidade de vida do paciente pós-cirurgia. Os resultados obtidos neste trabalho indicam que a técnica poderá resultar em próteses com a biocompatibilidade desejada e resistência mecânica adequada. Próteses permanentes (articulações) ou provisórias (âncoras de sutura) seriam um dos critérios para a escolha do material a ser utilizado, absorvível ou não pelo corpo humano. / Nowadays medicine is searching assistance from engineering that may contribute in studies and confection of prothesis to specific cases of fractures and bone diseases. With the advance of technology new processes of manufacture were risen, making possible the confection of personalized prothesis. The biggest challenge of the moment is in the manufacture of additive prothesis that can combine biomechanics performance and structural resistance. In this context, the objective of this dissertation is to develop PEEK and PEKK polymer suture anchors, considering its structural requirements, taking into account their mechanical strength, through simulation by the finite element method, and considering additive manufacturing processes. This development will allow the replacement of titanium alloy suture anchors, now widely used by surgeons by suture anchors of biocompatible polymers, which enable these polymers to be absorbed by the human body in the short and medium term, allowing full regeneration of affected bone, improving the quality of life of the patient. The results of this study indicate that the technique could result in prosthesis with the desired biocompatibility and adequate mechanical strength. Permanent prosthesis (joints) or temporary (suture anchors) would be one of the criteria for the choice of material to be used, absorbable or non absorbable by the human body.

O presente trabalho sugere a substituição da sílica comercial pela sílica obtida da casca de arroz como fonte alternativa para obtenção do dissilicato de lítio, material que pode ser utilizado em aplicações odontológicas. Para esse fim foram desenvolvidos materiais com estequiometria base de 33,33%mol. Li2O e 66,67%mol. SiO2 com e sem adição de óxidos complementares, visando à obtenção de vitrocerâmicas de maior tenacidade, por meio das duas fontes de sílica, comercial e da casca de arroz. Como caracterizações iniciais, foram realizadas difrações de raios X (DRX) para as misturas iniciais das matérias-primas antes e após a fusão para obtenção dos vidros. Para o caso dos materiais sem adição dos óxidos, a caracterização quanto à sua devitrificação, foi realizada por análise térmica diferencial (ATD), utilizando diferentes taxas de aquecimento e granulometrias, para ambas as fontes de sílica. Valores de temperatura de pico de cristalização (Tp), sem adição dos óxidos, ficaram na faixa de 640°C para os materiais de ambas as fontes de sílica. Também por ATD foi analisado o fenômeno de devitrificação dos materiais com adição dos óxidos. Além disso, para observar a existência de fases intermediárias no sistema, foram também realizadas análises por DRX com variação térmica. Para visualizar a alteração microestrutural, de acordo com a variação da temperatura de tratamento térmico (TT), fonte de sílica e influência dos óxidos, foram realizadas caracterizações por microscopia eletrônica de varredura (MEV). O comportamento citotóxico dos materiais frente às colônias celulares foi observado por meio do ensaio de citotoxicidade. As propriedades mecânicas, de acordo com as alterações das variáveis estudadas, foram obtidas por meio de cálculos de dureza e tenacidade à fratura por ensaio Vickers. Foram encontrados valores de tenacidade à fratura de aproximadamente 1,75 MPam1/2 para ambas as fontes de sílica, com adição de óxidos a 660°C (TT). Diante dos resultados obtidos é possível afirmar grande potencialidade na substituição da sílica comercial pela sílica da casca de arroz. / This work suggests the replacement of commercial silica by silica obtained from rice husk as alternative source for obtaining lithium disilicate material that can be used in dental application. The lithium disilicate as dental material is a glass-ceramic that has good mechanical properties and chemical stability. For these developments the materials have been obtained using stoichiometry of 33.33%mol. Li2O and 66.67%mol. SiO2, without complementary oxide addition or with, seeking better fracture toughness comportment, to both sources of silica, commercial and from rice husk. As initial characterization X-ray diffraction (XRD) was performed for the mixtures of materials before and after the fusion to obtain the glasses. For materials without oxide addition, the two materials developed were characterized for their devitrification, in other words, the transition from glass to glass-ceramic was observed by differential thermal analysis (DTA), using different heating rates and granulometries. Peak crystallization temperatures (Tp), to both silica sources, heat rate 10°C/min and 1mm of granulometry, was in average values of 640°C. The DTA was used to verify the devitrification in material with oxide addition too. In addition, to observe the possible formation of intermediate phases on stoichiometric system of lithium disilicate, were also carried out high temperature X-ray diffractomery (HTXRD). To view the microstructural changes occurring in the system, according to the variation of heat treatments temperatures (HT), silica source and oxides influence, characterizations were performed by scanning electron microscopy (SEM). The cytotoxic behavior of the materials in cell colonies was observed by the cytotoxicity test. Mechanical properties, Vickers hardness and fracture toughness, were determined by calculus, using Vickers test data. Values of approximately 1.75 MPam½ were obtained for both silica sources with oxide addition to 660°C (HT). Results obtained show great potential in the replacement of commercial silica by rice husk silica.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a caracterização de biovidros e vitrocerâmicos bioativos do sistema 3CaO.P2O5-SiO2-MgO, com índices de cristalinidade variados, visando o uso destes materiais em implantes estruturais ósseos. Amostras de composição nominal (% em peso) 57,75% CaO.P2O5 - 30% SiO2 - 17,25% MgO foram obtidas por fusão, e posteriormente, tratamentos térmicos foram realizados para a cristalização parcial dos vitrocerâmicos em temperaturas entre 700 ºC e 1100 ºC, com tempos diversos de até 480 minutos. Esses materiais foram caracterizados quanto ao seu comportamento térmico, quanto às fases cristalinas presentes e à microestrutura. Os resultados mostram que o vidro base apresenta separação de fases amorfas e os vitrocerâmicos apresentam como fase cristalina majoritária a fase whitlockite, podendo ser encontrada também a fase diopsídio, em tratamentos térmicos acima de 1050 °C. As propriedades mecânicas de dureza, tenacidade à fratura, módulo de fratura por ensaio de flexão e módulo elástico dinâmico foram determinadas. Todas as propriedades foram avaliadas em função do grau de cristalinidade do material, mostrando que a microestrutura e a fração cristalizada, bem como as diferentes fases cristalinas presentes, influenciam os resultados obtidos. O ganho máximo nas propriedades mecânicas ocorre em tratamentos térmicos a 975 °C, sendo atingidos valores próximos a 6,2 GPa, 1,7 MPa.m1/2 e 120 MPa para a dureza, a tenacidade à fratura e o módulo de fratura, respectivamente, em comparação aos valores de 4,8 GPa, 1,1 MPa.m1/2, 71 MPa dos vidros nucleados, o que indica aumento da ordem de 30% na dureza, 55% na tenacidade e 70% na resistência à fratura. Para o teste in vitro de citotoxicidade foram utilizadas células CHO como meio de cultura. Para os testes de bioatividade, as trocas iônicas entre os materiais e a solução acelular SBF ressaltam as diferenças em termos de reatividade química, sendo o efeito da cristalização de biovidros na formação da HCA observado por FTIR. Todas as amostras não apresentaram caráter citotóxico e o vitrocerâmico tratado a 775 °C mostrou ser o material mais bioativo, com início de formação da HCA em período de 24 h. Assim, os resultados obtidos indicam que o vidro e os vitrocerâmicos do sistema 3CaO.P2O5-SiO2-MgO são promissores candidatos ao uso como implantes ósseos, com distintas características e propriedades. / The current work presents the development and characterization of bioglass and bioactive glass-ceramic based on 3CaO.P2O5-SiO2-MgO-system, with different crystallization degrees, in order to use these materials in bone restorations. Samples of nominal composition (wt%) 57.75% CaO.P2O5-30% SiO2-17.25% MgO were obtained by melting and after heat-treated to partial crystallization of glass-ceramic at temperatures between 700 ºC and 1100 °C , with times up to 480 minutes. These materials were characterized by thermal analysis, X-Ray diffraction and scanning electron microscopy. The results showed amorphous phase separation in glasses. In glass-ceramics, it was identified whitlockite as major crystal phase, and diopside phase above 1050 °C. Hardness, fracture toughness, bending strength and elastic modulii of the samples were evaluated. These mechanical properties were evaluated according to the matrix crystallinity degree. The microstructure and the crystallization degree must be influencing the mechanical properties results. The optimized properties were observed in samples crystallized at 975 °C, with values near to 6.2 GPa, 1.7 MPa.m1/2 and 120 MPa for hardness, fracture toughness and bending strength, respectively, in comparison to 4.8 GPa, 1.1 MPa.m1/2 and 71 MPa presented by nucleated glasses at 700 °C, which indicates increases of 30% in hardness, 55% in fracture toughness and 70% in bending strength. In the cytotoxicity test, the culture medium was CHO cells. Ionic exchanges with the SBF-K9 acellular solution during the in vitro bioactivity tests highlight the differences in terms of chemical reactivity between the glass and the glassceramics. The effect of crystallinity on the rates of hydroxycarbonate apatite (HCA) formation was followed by FTIR. All samples were considered not cytotoxic. The glassceramic obtained at 775 °C presented the most interesting result, because onset for HCA formation is about 24 hours.The results obtained indicate that glasses and glass-ceramics of the 3CaO.P2O5-SiO2-MgO system are promissory candidates to be used as bonegraft implants.

O presente trabalho tem como objetivo principal o processamento da liga Ti-13Nb-13Zr (com porcentagens em peso) pela técnica da metalurgia do pó denominada space-holder, para se obter scaffolds (suportes porosos ou arcabouços) para osseointegração. Assim primeiramente realizou-se moagens da mistura de pós elementares de Ti, Nb e Zr pesados na proporção em peso da liga Ti-13Nb-13Zr, utilizando-se jarros e esferas de carbeto de tungstênio nos moinhos Fritsch Pulverisette e SPEX. Em todas as moagens utilizou-se álcool isopropílico para avaliar e otimizar sua aplicação como agente controlador de processo. Observou-se que o álcool isopropílico foi eficiente como agente controlador de processo, e que a moagem em moinho SPEX por 8 horas foi a que permitiu a obtenção do pó pré-ligado com a composição da liga Ti-13Nb-13Zr em todas as partículas do pó. Os pós produzidos no moinho Fritsch Pulverisette foram prensados, e as peças a verde obtidas foram sinterizadas em várias condições de tempo e temperatura. Todas as amostras sinterizadas no presente trabalho foram caracterizadas via MEV+EDS, DRX, FRX, microscopia óptica, metalografia quantitativa, e ensaio de dureza. Observou-se que as peças sinterizadas a 1000°C por uma hora foram as que apresentaram maior porosidade, cerca de 30% na amostra na condição álcool, de tal forma que a dureza desta amostra foi de 981 MPa, não muito inferior à dos materiais sinterizados nas demais condições. O pó moído no moinho SPEX por 8h, e o pó elementar de Nb, foram misturados ao pó de naftaleno (50% em volume da peça final), prensados e sinterizados nas condições menos agressivas de sinterização. Além das caracterizações já citadas, estas amostras também foram caracterizadas pelo método de Arquimedes e picnometria de He, para avaliação da porosidade. Destes estudos observou-se que o naftaleno, com tamanhos de partículas entre 500 ?m e 1 mm, gerou de 30 a 50% em volume de porosidade, e permitiu a obtenção de uma estrutura de poros grandes e interconectados, ideais para a aplicação pretendida. Por fim, concluiu-se que é possível obter-se scaffolds da liga de Ti-13Nb-13Zr utilizando-se as técnicas desenvolvidas no presente trabalho. / The present study has, as main goal, the processing of the Ti-13Nb-13Zr alloy (percentages in weight) using the space-holder powder metallurgy technique, to obtain scaffolds for osseointegration. Firstly, elementary powders of Ti, Nb, and Zr weighted to obtain the 74wt.%Ti+13wt.%Nb+13wt.%Zr composition were milled in Fritsch Pulverisette and SPEX mills, using grinding media of tungsten carbide. In all millings, isopropyl alcohol was used to evaluate and optimize its application as process controlling agent. It was observed that the isopropyl alcohol was efficient as process controlling agent, and that the milling by 8 hours in a SPEX mill allowed the production of a pre-alloyed powder with the 74wt.%Ti+13wt.%Nb+13wt.%Zr composition in all particles. The powders produced in the Fritsch Pulverisette mill were pressed, and the obtained green bodies were sintered in several time and temperature conditions. All the samples sintered in the present work were characterized using SEM-EDX, XRD, XRF, optical microscopy, quantitative metallography, and microhardness test. It was observed that the samples sintered at 1000°C for one hour presented the highest porosity, around 30% for the alcohol condition, presenting a microhardness of 981 MPa, not so distant of the values found for samples sintered using other conditions. The powder milled in the SPEX mill for 8 hours, and the niobium powder, were mixed with naphtalene powder (50% in volume), pressed and sintered using the less aggressive sintering conditions. Besides the characterization techniques already cited, these samples were also characterized by Archimedes test and He picnometry, to evaluate the porosity. From these studies, it could be observed that the naphtalene, with particle size ranging from 500 ?m to 1 mm, produced samples with 30 to 50% of porosity in volume, and allowed the formation of a structure of large and interconnected pores. It could be concluded that it is possible to obtain scaffolds of the Ti-13Nb-13Zr alloy using the techniques developed in the present work.