O desenvolvimento de biomateriais com estrutura porosa visa permitir uma boa ancoragem biológica através do crescimento do tecido ósseo no interior dos poros, além de no caso de algumas ligas de titânio, proporcionar valores de módulo elástico semelhantes ao do osso, prevenindo assim o insucesso por reabsorção óssea na interface com o implante. O objetivo deste estudo foi avaliar o processamento de implantes porosos à base de titânio produzidos por metalurgia do pó, utilizando polímeros naturais como aditivos (albumina, amidos de arroz, batata, milho e a gelatina), e analisar a osteointegração desses implantes por ensaio in vivo. Foram obtidas, amostras de titânio comercialmente puro (Ticp) e da Liga Ti-13Nb-13Zr pelos processos de space-holder e suspensão; os polímeros naturais foram removidos termicamente (350°C/1h) previamente a sinterização (1300°C/1h e 1300°C/3h, respectivamente). As metodologias de processamento utilizando aditivos de baixo custo propiciaram a obtenção de implantes metálicos porosos de maneira simplificada, com porosidades diferenciadas, boa homogeneidade estrutural, grau de porosidade adequado (entre 40% e 60%), distribuição e tamanho dos poros conforme o polímero natural formador. Na caracterização biológica, o teste in vitro de citotoxicidade validou a utilização dos implantes para a realização do teste in vivo. A avaliação da osteointegração foi realizada em coelhos da raça New Zealand em períodos de 49 dias. Na análise histológica por microscopia eletrônica de varredura e fluorescência, foram obtidos os resultados quantitativos e qualitativos da osteointegração, com crescimento ósseo em todos os implantes, apresentando osteocondutividade. Os melhores resultados ocorreram em implantes com porosidade homogênea, e com tamanho médio de poros entre 100 e 200 μm. Assim, os materiais porosos de titânio e da liga Ti-13Nb-13Zr produzidos com os polímeros naturais (amido de arroz, amido de batata, amido de milho, gelatina e albumina), permitiram a nutrição e manutenção necessárias para a sobrevivência das células, comprovando a osteointegração e osteocondução dos implantes desenvolvidos. / The development of biomaterials with porous structure, seeks to allow a good biological anchorage through bone tissue ingrowth within the pores, besides to propitiate elastic modulus values similar to bone, thus preventing the failure by bone resorption, on implants interface. The goals of this study was to evaluate the processing of titanium based porous implants by powder metallurgy (PM), using natural polymers as additive (rice, potato and corn starches, albumin and gelatin), and evaluate these implants osseointegration by in vivo assay. Samples were obtained of commercially pure titanium (cpTi) and Ti-13Nb-13Zr alloy by space-holder and suspension techniques; the natural polymers were removed by thermal treatment (350C/1h) prior to sintering (1300C/1h and 1300C/3h respectively). The processing methodologies using low cost additives propitiate the production of porous metallic implants in a simplified manner, with differentiated porosities, good structural homogeneity, proper porosity degree (between 40% and 60%), distribution and pore size as the related natural polymer. The biological characterization was first performed in vitro with a cytotoxicity test, which allowed the use of implants in vivo. The osseointegration evaluation was performed in New Zealand White rabbits for 49 days period. Histological analyses with scanning electron microscopy and fluorescence microscopy were obtained quantitative and qualitative results of osseointegration, with bone growth in all implants, presenting osteoconductivity. The best results were in implants with homogenous porosity and with mean pore size between 100 and 200 μm. Thus, titanium and Ti-13Nb-13Zr alloy porous materials produced with natural polymers (rice, potato and corn starches, albumin and gelatin), allowed the nutrition and nourishing needed to bone cells survival, proving the osseointegration and osteoconduction features of developed 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.

O desenvolvimento de biomateriais com estrutura porosa visa permitir uma boa ancoragem biológica através do crescimento do tecido ósseo no interior dos poros, além de no caso de algumas ligas de titânio, proporcionar valores de módulo elástico semelhantes ao do osso, prevenindo assim o insucesso por reabsorção óssea na interface com o implante. O objetivo deste estudo foi avaliar o processamento de implantes porosos à base de titânio produzidos por metalurgia do pó, utilizando polímeros naturais como aditivos (albumina, amidos de arroz, batata, milho e a gelatina), e analisar a osteointegração desses implantes por ensaio in vivo. Foram obtidas, amostras de titânio comercialmente puro (Ticp) e da Liga Ti-13Nb-13Zr pelos processos de space-holder e suspensão; os polímeros naturais foram removidos termicamente (350°C/1h) previamente a sinterização (1300°C/1h e 1300°C/3h, respectivamente). As metodologias de processamento utilizando aditivos de baixo custo propiciaram a obtenção de implantes metálicos porosos de maneira simplificada, com porosidades diferenciadas, boa homogeneidade estrutural, grau de porosidade adequado (entre 40% e 60%), distribuição e tamanho dos poros conforme o polímero natural formador. Na caracterização biológica, o teste in vitro de citotoxicidade validou a utilização dos implantes para a realização do teste in vivo. A avaliação da osteointegração foi realizada em coelhos da raça New Zealand em períodos de 49 dias. Na análise histológica por microscopia eletrônica de varredura e fluorescência, foram obtidos os resultados quantitativos e qualitativos da osteointegração, com crescimento ósseo em todos os implantes, apresentando osteocondutividade. Os melhores resultados ocorreram em implantes com porosidade homogênea, e com tamanho médio de poros entre 100 e 200 μm. Assim, os materiais porosos de titânio e da liga Ti-13Nb-13Zr produzidos com os polímeros naturais (amido de arroz, amido de batata, amido de milho, gelatina e albumina), permitiram a nutrição e manutenção necessárias para a sobrevivência das células, comprovando a osteointegração e osteocondução dos implantes desenvolvidos. / The development of biomaterials with porous structure, seeks to allow a good biological anchorage through bone tissue ingrowth within the pores, besides to propitiate elastic modulus values similar to bone, thus preventing the failure by bone resorption, on implants interface. The goals of this study was to evaluate the processing of titanium based porous implants by powder metallurgy (PM), using natural polymers as additive (rice, potato and corn starches, albumin and gelatin), and evaluate these implants osseointegration by in vivo assay. Samples were obtained of commercially pure titanium (cpTi) and Ti-13Nb-13Zr alloy by space-holder and suspension techniques; the natural polymers were removed by thermal treatment (350C/1h) prior to sintering (1300C/1h and 1300C/3h respectively). The processing methodologies using low cost additives propitiate the production of porous metallic implants in a simplified manner, with differentiated porosities, good structural homogeneity, proper porosity degree (between 40% and 60%), distribution and pore size as the related natural polymer. The biological characterization was first performed in vitro with a cytotoxicity test, which allowed the use of implants in vivo. The osseointegration evaluation was performed in New Zealand White rabbits for 49 days period. Histological analyses with scanning electron microscopy and fluorescence microscopy were obtained quantitative and qualitative results of osseointegration, with bone growth in all implants, presenting osteoconductivity. The best results were in implants with homogenous porosity and with mean pore size between 100 and 200 μm. Thus, titanium and Ti-13Nb-13Zr alloy porous materials produced with natural polymers (rice, potato and corn starches, albumin and gelatin), allowed the nutrition and nourishing needed to bone cells survival, proving the osseointegration and osteoconduction features of developed 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.

Estudos do titânio e suas ligas, como biomateriais, visam melhorar problemas relacionados com a interface osso-implante que podem determinar a qualidade, o tempo de reparação óssea e, por conseguinte o sucesso clínico do implante. O objetivo deste estudo foi avaliar, em ratos, a osteointegração de implantes macroporosos produzidos pelo método da metalurgia do pó (MP), com adição controlada de gelatina. Foram utilizadas, como grupo controle, amostras de titânio comercialmente puro (Ticp) e amostras da liga Ti-13Nb-13Zr obtida pelo processo de MP, sinterizadas a 1150°C / 14 horas (10-5 mBar). Para a obtenção das amostras porosas, foi adicionado até 15% em peso de gelatina aos pós metálicos (Ti, Nb e Zr), as amostras foram tratadas termicamente em forno a vácuo (10-2 mBar) a 300°C / 90 min e sinterizadas. Foi feita a caracterização física dos pós metálicos, da liga sinterizada e amostras porosas. A caracterização biológica iniciou-se pelo teste in vitro de citotoxicidade, de acordo com a norma ISO- 10993-5 (1993), que permitiu a utilização dos implantes em teste in vivo. A avaliação da osteointegração foi realizada em ratos Wistar, macho, em um período de 28 dias. As análises morfológicas, microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura (MEV), avaliaram qualitativamente a osteointegração. Como conclusão, a metodologia inédita do processo de MP modificado pela adição de gelatina, propiciou com êxito a obtenção de implantes metálicos porosos. A gelatina por ser um colágeno, não interferiu na característica final de não-citotoxicidade dos implantes. O tamanho dos poros obtidos por esta técnica permitiu a nutrição e manutenção necessária para a sobrevivência das células, comprovando que os poros e canais formaram uma rede de alta interconectividade comprovando assim o aspecto de osteointegração e osteocondução da liga porosa. / Studies of titanium and its alloys commonly used as biomaterials, aim to improve bone-implant interface related problems which may determine the quality, the bone repairing time and therefore the clinical success of the implant. The goal of this study was to evaluate, in rats, osteointegration of macroporous implants produced by powder metallurgy (PM) method, with controlled addition of gelatin. Were used as control group, samples of commercially pure titanium (cpTi) and samples of the Ti-13Nb-13Zr alloy obtained by the PM process, sintered at 1150ºC / 14 hours (10-5 mBar). To obtaining the porous samples, at most 15% in weight of gelatin was added to metallic powders (Ti, Nb and Zr), the samples were thermally treated in vacuum oven (10-2 mBar) at 300°C / 90 min, and sintered. Physical characterization of metallic powders, sintered alloy and porous samples were made. The biological characterization began by in vitro cytotoxicity essay according with norm ISO-10993-5 (1993), which allowed uses the implants for in vivo testing. The osteointegration evaluation was performed in Wistar rats, males, for 28 days period. The morphological analyses, optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM), evaluated qualitatively the osteointegration. Concluding, the unpublished new methodology of PM process modified by addition of gelatin, propitiate with success the obtaining of porous metallic implants. The gelatin as a collagen did not interfered in the final non-cytotoxic implant characteristic. Porous size obtained by this technique allowed the nourishing and necessary maintenance to cell survival, proving that the pores and channels formed a high interconnectable network showing thus the osteointegration and osteoconduction feature of the porous alloy.

Estudos do titânio e suas ligas, como biomateriais, visam melhorar problemas relacionados com a interface osso-implante que podem determinar a qualidade, o tempo de reparação óssea e, por conseguinte o sucesso clínico do implante. O objetivo deste estudo foi avaliar, em ratos, a osteointegração de implantes macroporosos produzidos pelo método da metalurgia do pó (MP), com adição controlada de gelatina. Foram utilizadas, como grupo controle, amostras de titânio comercialmente puro (Ticp) e amostras da liga Ti-13Nb-13Zr obtida pelo processo de MP, sinterizadas a 1150°C / 14 horas (10-5 mBar). Para a obtenção das amostras porosas, foi adicionado até 15% em peso de gelatina aos pós metálicos (Ti, Nb e Zr), as amostras foram tratadas termicamente em forno a vácuo (10-2 mBar) a 300°C / 90 min e sinterizadas. Foi feita a caracterização física dos pós metálicos, da liga sinterizada e amostras porosas. A caracterização biológica iniciou-se pelo teste in vitro de citotoxicidade, de acordo com a norma ISO- 10993-5 (1993), que permitiu a utilização dos implantes em teste in vivo. A avaliação da osteointegração foi realizada em ratos Wistar, macho, em um período de 28 dias. As análises morfológicas, microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura (MEV), avaliaram qualitativamente a osteointegração. Como conclusão, a metodologia inédita do processo de MP modificado pela adição de gelatina, propiciou com êxito a obtenção de implantes metálicos porosos. A gelatina por ser um colágeno, não interferiu na característica final de não-citotoxicidade dos implantes. O tamanho dos poros obtidos por esta técnica permitiu a nutrição e manutenção necessária para a sobrevivência das células, comprovando que os poros e canais formaram uma rede de alta interconectividade comprovando assim o aspecto de osteointegração e osteocondução da liga porosa. / Studies of titanium and its alloys commonly used as biomaterials, aim to improve bone-implant interface related problems which may determine the quality, the bone repairing time and therefore the clinical success of the implant. The goal of this study was to evaluate, in rats, osteointegration of macroporous implants produced by powder metallurgy (PM) method, with controlled addition of gelatin. Were used as control group, samples of commercially pure titanium (cpTi) and samples of the Ti-13Nb-13Zr alloy obtained by the PM process, sintered at 1150ºC / 14 hours (10-5 mBar). To obtaining the porous samples, at most 15% in weight of gelatin was added to metallic powders (Ti, Nb and Zr), the samples were thermally treated in vacuum oven (10-2 mBar) at 300°C / 90 min, and sintered. Physical characterization of metallic powders, sintered alloy and porous samples were made. The biological characterization began by in vitro cytotoxicity essay according with norm ISO-10993-5 (1993), which allowed uses the implants for in vivo testing. The osteointegration evaluation was performed in Wistar rats, males, for 28 days period. The morphological analyses, optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM), evaluated qualitatively the osteointegration. Concluding, the unpublished new methodology of PM process modified by addition of gelatin, propitiate with success the obtaining of porous metallic implants. The gelatin as a collagen did not interfered in the final non-cytotoxic implant characteristic. Porous size obtained by this technique allowed the nourishing and necessary maintenance to cell survival, proving that the pores and channels formed a high interconnectable network showing thus the osteointegration and osteoconduction feature of the porous alloy.

Orientador: Cecilia Amelia de Carvalho Zavaglia / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-12T14:04:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_JoseCarlosSousados_M.pdf: 6317167 bytes, checksum: 3007b440a82fcaab621d5cef423c3334 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: A liga Ti-13Nb-13Zr tem sido proposta em estudos de pesquisa como uma nova alternativa dentre as ligas biomédicas por apresentar em sua formulação alguns dos elementos metálicos de maior compatibilidade como: titânio, nióbio e zircônio; considerados como metais válvulas, onde apresentam excelente resistência à corrosão, excelente propriedades mecânicas e baixa densidade. O substrato da liga Ti-13Nb-13Zr foi revestido com titânia (TiO2) por aspersão térmica a plasma visando viabilizar a sua utilização como implantes biomédicos. Foram utilizadas técnicas de caracterização desses substratos revestidos para avaliar os efeitos da titânia sobre as propriedades mecânicas e físico-químicas da liga Ti-13Nb-13Zr. Foram obtidos revestimentos de boa qualidade com baixa porosidade, baixo nível de partículas não fundidas e com boa adesão. O ensaio de riscamento com e sem tratamento térmico não apresentou alterações significativas nos valores da carga crítica. Os resultados experimentais obtidos do substrato da liga Ti-13Nb-13Zr revestido com titânia após o ensaio de riscamento apresentou uma boa adesão do depósito ao substrato o que viabilizará em futuro o seu uso em implantes ortopédicos. / Abstract: The Ti-13Nb-13Zr alloy has been proposed by researchers as new alternative amongst the biomedical alloys for presenting on its composition some of the metallic elements of better compatibility; as titanium, niobium and zirconium; considered as metals valves, by presenting excellent corrosion resistance, excellent mechanical properties and low density. The Ti-13Nb-13Zr alloy substratum was coated with titanium dioxide (TiO2) by plasma thermal aspersion aiming its biomedical application. Titanium influence on the mechanical and physico-chemical properties was determined and coatings were found to be of good quality exhibiting low content of an melted particles and good adhesion. The scratch test with and without thermal treatment did not have significant alterations on the values of the critical load. The results obtained on these experiments showed that TiO2 coating on Ti-13Nb-13Zr alloys has good potencial for orthopedics implantations since it exhibits good adhesion and good mechanical properties. / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica