Projeto de Dissertação Submetido ao PG-Mec
      
      Nome do aluno: Pedro Ivo Polak Junior
      
      TÍTULO:
      
      Análise Eletroquímica do Revestimento de Titânio Aplicado Pelo Processo Plasma
Spray em Aço 307.
      
      RESUMO:
      
      As ligas de titânio devido a sua excelente biocompatibilidade, boa resistência
à corrosão e excelente osseointegração são amplamente utilizadas em
dispositivos biomédicos, porém, devido à diferença de suas propriedades
mecânicas quando comparados às propriedades mecânicas dos tecidos adjacentes
em que o dispositivo é instalado, prejudica a durabilidade do procedimento e
em alguns casos indicando até mesmo a remoção do dispositivo. A confecção de
materiais biomédicos com materiais que possuam propriedades mecânicas
semelhantes aos tecidos que serão instalados e o revestimento por titânio
desses dispositivos irá aumentar a durabilidade do procedimento e evitar a
futura falha da peça instalada. Através de estudos eletroquímicos de
verificação de porosidade, amostras de aço 307 revestidas com diferentes
parâmetros de aplicação pelo processo de plasma spray terão seus resultados
testados para encontrar qual o melhor parâmetro de revestimento para o
isolamento do substrato.
      
      Nome do orientador: Ramón Cortés Paredes
      
      Linha de pesquisa do PG-Mec à qual o trabalho tem maior vínculo (indique
apenas uma):
      (X) Engenharia de Superfícies
      (   ) Engenharia de Fabricação
      (   ) Engenharia Industrial e Ambiental
      (   ) Engenharia Térmica e Fenômenos de Transporte
      
      Previsão para defesa da dissertação (mês e ano): Dezembro/2007
      Local e data de conclusão da redação deste projeto: Curitiba, 8 de fevereiro
de 2007
      
INTRODUÇÃO
      
      A perda de um órgão ou de uma parte do corpo gera, além da perda da função,
transtornos sociais e psicológicos. Os avanços alcançados na medicina e
odontologia modernas, aliados ao aumento da expectativa de vida, têm
possibilitado o desenvolvimento de técnicas que geram uma melhor qualidade de
vida. A disponibilização dessas técnicas tem oferecido novas opções aos
pacientes mutilados, como a substituição total ou parcial de ossos fraturados
por implantes. A utilização de materiais exógenos para reposição de elementos
perdidos e ou para auxiliar no reparo de estruturas danificadas deve-se a
biocompatibilidade dos materiais utilizados.
      Atualmente, entende-se como biocompatibilidade a característica do material
que, usado em aplicações especificas, desenvolve respostas teciduais adequadas
aos sistemas hospedeiros. Observa-se que este conceito evoluiu e não mais se
supõe que materiais biocompatíveis devam ser absolutamente inertes e inócuos,
mas que as respostas induzidas ao organismo hospedeiro sejam controláveis pelo
sistema todo. A interação tecidual entre o dispositivo a ser instalado e o
tecido vai depender da resposta celular (bioadesão) e da resposta tecidual
(biointegração).
      Os mecanismos bioadesivos estão associados à ligação das células e suas
proteínas à superfície do implante; tais mecanismos dependem da resposta do
hospedeiro, da biocompatibilidade do material e das características
superficiais do dispositivo. 
      O termo biointegração consiste na união bioquímica do tecido vivo à superfície
de um implante a qual é independente de qualquer mecanismo de união mecânica,
e que se torna identificável ao microscópio eletrônico de varredura.
Observamos, no entanto, que sempre nas interfaces osseointegráveis ou
biointegráveis terão a participação ativa, tanto mecânica por intermédio do
projeto do implante quanto biológica, através de adesão, por intermédio de
união íntima entre a superfície dos implantes e as glicoproteínas ou
proteoglicanos e células. Teremos, portanto, sempre uma biofixação envolvendo
o tecido adjacente ao dispositivo em função. 
      Os biomateriais, quando implantados, estão permanentemente em contato com
ambientes bastante agressivos (fluídos fisiológicos). A biocompatibilidade dos
materiais que são utilizados em dispositivos biomédicos é avaliada
principalmente pela reação do tecido ao material.
      Existem várias classificações para os materiais quanto à resposta biológicas.
Quando se consideram os materiais de maneira genérica (não se restringindo aos
biomateriais), os materiais podem ser classificados em tóxicos e não tóxicos.
Quando se considerando apenas os biomateriais, estes podem ser classificados
em materiais bioinertes, bioreativos e bioativos. 
      Diversos biomateriais têm sido utilizados na confecção de implantes, sendo a
necessidade específica o fator determinante para a escolha do material
adequado. Materiais rígidos substituem estruturas de suporte, como, por
exemplo, tecido ósseo e dentes, materiais flexíveis substituem tecidos moles
como válvulas, músculos, veias, pele etc.
      Os materiais aos quais o tecido ósseo tem demonstrado maior tolerância são
titânio, nióbio, tântalo e hidroxiapatita (HA). Outros materiais como os aços
inoxidáveis, ligas Cr-Co-Mo, óxidos de alumínio e zircônio, ligas de titânio,
dentre outros, são questionáveis quanto a sua função a longo prazo. 
      O Titânio é conhecido por sua grande resistência mecânica e por sua excelente
resistência à corrosão (quase tão resistente quanto à platina) e, quando
exposto ao ar esse metal forma uma camada passiva de óxido, que forma uma
película contínua e aderente. Uma outra contribuição é a sua alta constante
dielétrica quando comparada com a de outros óxidos. A constante dielétrica do
TiO2 proporciona a biocompatibilidade do titânio, já que as interações entre
os óxidos e as biomoléculas são elétricas e o TiO2 é catalítico para um número
de reações orgânicas e inorgânicas. 
      A grande limitação do uso de titânio como dispositivo para fixação e
estabilização óssea é devido à grande diferença entre o módulo de elasticidade
do titânio e do osso, isso leva a uma falha em médio ou longo prazo a fraturas
entre o osso e a necessidade da remoção do dispositvo.
      Outros materiais como os aços inoxidáveis, ligas Cr-Co-Mo, óxidos de alumínio
e zircônio, dentre outros, são questionáveis quanto à função a longo prazo,
mas agora não devido ao seu módulo de elasticidade, mas sim devido a sua
resistência a corrosão e troca iônica. Os aços inoxidáveis sofrem corrosão in
vivo e liberam íons do tipo Ni2+, Cr3+ e Cr6+, que podem causar efeitos locais
(irritação, inflamação nas áreas adjacentes à interface implante-tecido) e
sistêmicos (efeito tóxico sobre o organismo). 
      O recobrimento de materiais que não possuam uma boa resistência à corrosão com
óxido de titânio pode atuar como uma barreira química para os íons lixiviados
da superfície metálica da liga do aço, além deste óxido ser um bom
osseoindutor. Possibilitando assim ao parafuso de fixação possuir na sua
superfície as qualidades do titânio e propriedades mecânicas mais desejáveis.
      
3 OBJETIVOS GERAIS DO TRABALHO
      
      Através de técnicas eletroquímicas determinar qual o melhor parâmetro de
revestimento do titânio pelo processo de plasma spray para que isole
totalmente materiais corrosivos em fluídos fisiológicos possibilitando assim a
utilização de materiais com propriedades mecânicas desejadas como dispositivos
ortopédicos.
      
      3.1 Objetivos Específicos
      
      Possibilitar a utilização de dispositivos com propriedades mecânicas mais
próximas aos dos tecidos a serem instalados possuindo as mesmas interações
biológicas do titânio.
      
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
      
      
      A instalação de parafusos com fixação óssea envolve trauma tecidual e esse
trauma inicia um processo inflamatório que gera o processo de cicatrização. O
processo de cicatrização envolve atividade celular, formação de novos vaso,
alteração da vascularização na região e formação de novos tecidos. Essa
neoformação tecidual irá ser determinada pela maneira pela qual o organismo
irá reagir com o material implantado. (KIRKPATRICK 2002)
      Segundo MORAES (2002), os biomateriais podem ser definidos como substâncias de
origem natural ou sintética, tolerados de forma transitória ou permanente
pelos diversos tecidos que constituem os órgãos dos seres vivos. 
      Os biomateriais metálicos devem a sua biocompatibilidade devido à formação de
uma camada fina e aderente de óxido estável. Cada classe de metal deve ter sua
composição química bem controlada a fim de que não haja degradação química da
camada de óxido nem das propriedades mecânicas do metal ou liga metálica. 
      De acordo com HANAWA (2002) a demanda por materiais metálicos em dispositivos
médicos e odontológicos é grande. Metais e suas ligas são amplamente
utilizados como biomateriais e são indispensáveis na área médica. Em
particular, dureza, elasticidade e rigidez são propriedades essenciais para
materiais metálicos utilizados em dispositivos médicos.
      Segundo FERREIRA (2002), o aço inoxidável (Fe-Cr-Ni-MO), a liga Cr-Co-Mo e o
titânio são os metais mais utilizados como matéria prima para a produção de
dispositivos intra-ósseos devido a suas propriedades mecânicas. O aço
inoxidável é utilizado devido a sua combinação de propriedades mecânicas,
resistência à corrosão e custo benefício. Já o titânio além das propriedades
mecânicas, tem uma aceitação tecidual e resistência à corrosão muito superior
a qualquer outra liga metálica utilizada.
      Rüedi e Murphy (2002) afirmam que os implantes, quando colocados no corpo
humano, trabalham sob a ação de complexos carregamentos mecânicos em meio
salino, que exige do material ótima resistência à corrosão.
      Os mecanismos de desgaste e corrosão podem promover a liberação de partículas
ou de íons metálicos no corpo humano, podendo causar, além da falha prematura
do implante, reações adversas aos seres humanos. Por exemplo, cromo e níquel
são agentes cancerígenos no ambiente industrial e estudos realizados por
pesquisadores da Universidade de Cambridge comprovaram que alguns íons
metálicos solúveis (Co, Cr, Ni e Mo) são citotóxicos e produzem tumores
malignos em cobaias. Estudos têm mostrado ainda que pacientes com implantes
totais em juntas, apresentam maior susceptibilidade ao câncer quando
comparados com uma população genérica (Dora et al., 1998). 
      As ligas Co-Cr-Mo e os aços inoxidáveis têm demonstrado menor aceitabilidade
no leito ósseo. De um modo geral, as ligas metálicas são menos aceitas devido
à possibilidade de liberação de íons, que podem causar efeitos colaterais
locais ou sistêmicos. 
      HACK (2006) em seu estudo afirma que dispositivos ortopédicos de titânio
apresentam excelente resistência à corrosão e biocompatibilidade aprimorada. A
afinidade do osso pelo titânio é muito importante, pois em situações onde o
parafuso sofre grandes pressões, existe uma perda do osso devido à diferença
de módulo de elasticidade entre o osso e o dispositivo instalado, a afinidade
do osso pelo titânio torna o processo mais lento.
      Segundo GEFEN (2002) a grande diferença do módulo de elasticidade do parafuso
de fixação (dependendo do material pode chegar a 800 GPa) quando comparado com
os valores obtidos do osso receptor (1 a 20 GPa) pode causar a atrofia da
região receptora. Esse fenômeno chamado stress shielding ocorre devido à
rigidez dos implantes.
      Por isso, a seleção tanto das propriedades no material de uma estrutura quanto
projeto do implante devem responder vários pré-requisitos que serão utilizados
como indicadores em circunstancias de escolha de diferentes implantes. Esses
requisitos especiais são: biocompatibilidade, acabamento superficial,
resistência à corrosão e comportamento mecânico (BROWNER et al., 2003).
      
      
      
      
      
      
      
      
      

      METODOLOGIA E PLANO DE TRABALHO
      
      ETAPAS DE TRABALHO
      
      Primeira etapa: Produção dos Corpos de Prova com Diferentes Parâmetros de
aplicação.
      Segunda etapa: Revestimentos dos corpos de prova pelo processo de plasma spray
      Terceira etapa: Análise Eletroquímica dos Corpos de Prova e Comparação com
amostras de titânio puro
      Quarta etapa: Determinar o parâmetro de revestimento ideal para a sua utilização.
      
      4.1 PROCEDIMENTOS
      
      O princípio é a utilização de corpos de prova com baixa resistência à corrosão
em fluídos fisiológicos para determinar com qual parâmetro de aplicação os
corpos de prova terão o mesmo comportamento do titânio puro. Para atingir essa
meta, inicialmente iremos comparar o comportamento dos corpos de prova com o
comportamento do titânio puro e após essa comparação, revestir as amostras
pelo processo de plasma spray até que elas possuam o mesmo comportamento do
titânio puro.
      Na seqüência será estudada a porosidade dos revestimentos para determinar a
necessidade de um tratamento térmico posterior a aplicação.
      
      4.2 Relação das disciplinas que ainda serão cursadas

Código das Disciplinas
Disciplinas
Carga Horária
Créditos
TM 732
Planejamento e
Experimento
60 horas
4
TM 709
Técnica Experimental em Metalurgia
60 horas
4
TM
744
Propriedade de Polímeros 
60 horas
4
TM 737
Tópicos Especiais em Engenharia
Mecânica I (revestimentos)
45 horas
3
TM 738
Tópicos Especiais em Engenharia
Mecânica II (Técnica Eletroquímica de Simulação de Osseointegração)
45
horas
3












      
      * Previsão do período letivo que cursará a disciplina "Dissertação de Mestrado"
      O período previsto para a disciplina de Projeto de Dissertação de Mestrado é o
segundo trimestre de 2007.
      
CRONOGRAMA (uma página, no máximo)
      
      

      VIABILIDADE (uma página, no máximo)
      
      Esta pesquisa faz parte de um projeto de doutorado em andamento e de três
dissertações de mestrado (uma em finalização e duas em andamento).
      O laboratório de aspersão térmica e de soldagem especial (LABATS) conta com a
infraestrutura necessária para a produção dos revestimentos, assim como a
adequada proporção do substrato. 
      Esta linha de pesquisa conta com recursos próprios dos odontólogos envolvidos
e colaboração das empresas REVESTELL e Conexão Sistemas de Implantes.
      
      RESULTADOS ESPERADOS (uma página, no máximo)
      Espera-se que este projeto possa assegurar:
      
      * Formação de um banco de dados de parâmetros de aplicação de titânio para
revestimentos de materiais corrosivos para utilização biologica.
      * Produção de dispositivos cirúrgicos com melhores propriedades mecânicas para
utilização em cirurgias ortopédicas e reconstruções faciais.
      * Metodologia e procedimentos para a obtenção de revestimentos de titânio para
a utilização biológica.
      * Duas publicações, sendo uma em congresso e outra em revista especializada.
      * Desenvolver uma Dissertação de Mestrado.
      * Promover durante o ano de 2007 um projeto de Biomateriais e Nanotecnologia,
o qual será submetido ao edital do CNPq.
      
      
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
      
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fracture fixation. Medical Engineering & Physics 24 (2002) 337-347
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Luiz de; WOLYNEC, Stephan; COSTA, Isolda. Corrosion characterization of titanium
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2005. 
BROWNER et al. Skeletal Trauma: basic science, management and reconstruction.
3. ed. V. 1. New York: Saunders. (2003).
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R.E. Unger, F. Bittinger, M. Otto, K. Peters. Tissue response and biomaterial
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p.211 /217.
DORA, A.; LAW, F. C.; ALLEN, M. J. & RUSHTON, N. Neoplastic
transformation of cells by soluble but not particulate forms of metals in
orthopaedic implants. Biomaterials, 9:751-759. 1998
H.J. Rack, J.I. Qazi. Titanium
alloys for biomedical applications. Materials Science and Engineering C 26 (2006)
1269 - 1277
KATO, T. Avaliação dos tipos de enxerto ósseo e seus homólogos para
aumento de rebordo alveolar e levantamemto de seio maxilar. (Monografia de
especialização). Belo Horizonte, MG: Universidade Federal de Minas Gerais, 1998.
L.
C. de O. Vercik; C. M. de Assis; M. V. Lia Fook; M. L. dos Santos; A. C. Guastaldi
Departamento de Fisico-Química - Instituto de Química - UNESP, CEP 14801-970 -
Araraquara - SP - Brasil.
Maria Eduarda Ferreira , Maria de Lourdes Pereira.
Comparative study of metallic biomaterials toxicity: a histochemical and
immunohistochemical demonstration in mouse spleen. Patobiochesmitry 07/2002
MORAES,
P.C. Biocompatibilidade e comportamento do cimento de fosfato de cálcio, reforçado
com diferentes tipos de fibras, implantado no rádio de coelhos.. 73f. Tese
(Mestrado)- Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias, Universidade Estadual
Paulista, Jaboticabal, SP. 2002
Motohiro U., Fumio Watari, Atsuro Yokoyama, Hironobu
Matsuno, Takao Kawasaki. Tissue reaction around metal implants observed by X-ray
scanning analytical microscopy. Biomaterials 22 (2001) 677}685
POHLER, O. E. M.,.
Failure of metallic orthopaedic implants. In: Metals Handbook (American Society for
Metals - ASM, ed.), v. 11, pp. 668-694. 9th Ed. Metals Parks: ASM International.
1986
RÜEDI, T.P.; MURPHY, W.M. Os princípios AO de tratamento de fraturas. Trad
Jacques Vissky. Porto Alegre: Artmed (2002).
Takao Hanawa. Evaluation techniques of
metallic biomaterials in vitro. Science and Technology of Advanced Materials 3
(2002) 289-295.
      
      
9 ATIVIDADES JÁ DESENVOLVIDAS RELACIONADAS AO MESTRADO
      * Dados bibliográficos de artigos já publicados.
      Não possuo artigos publicados
      * Descrever outras atividades relevantes desenvolvidas.
      Durante o curso de Especialização de Implantodontia, bem como na prática
clínica diária, foram realizados com êxito diversas cirurgias de enxertos
ósseos, contudo as limitações da técnica de enxerto explicitam a necessidade
de um novo material, cujas qualidades supram as deficiências das técnicas
atualmente empregadas.
      
      10 FECHAMENTO
      
      
      ______________________________________
      Assinatura do Aluno
      
      
              Declaro que sou orientador deste trabalho e aprovo este projeto de dissertação.
      
      
      ________________________________________
      Assinatura do Professor Orientador