I. Definição e aplicações de materiais metálicos médicos
Os materiais metálicos médicos, também conhecidos como materiais metálicos para implantes cirúrgicos, são usados principalmente para diagnóstico, tratamento e substituição ou aprimoramento de tecidos no corpo humano. Nos últimos 20 anos, embora o desenvolvimento de materiais médicos metálicos tenha sido mais lento do que o de materiais biomédicos, como polímeros, compósitos, híbridos e derivados, eles oferecem inúmeras propriedades insubstituíveis que outros materiais médicos não conseguem igualar, incluindo alta resistência, boa tenacidade, resistência à fadiga por flexão e excelentes propriedades de processamento. Eles são os materiais de implantes que suportam carga-mais amplamente utilizados em aplicações clínicas. Com o desenvolvimento da tecnologia de impressão 3D de metal, os materiais médicos metálicos ganharam aplicação mais ampla, com as aplicações mais importantes incluindo placas de fixação de fraturas, parafusos, articulações artificiais e implantes dentários.
II. Materiais médicos metálicos comumente usados
Os principais materiais metálicos utilizados em aplicações médicas clínicas incluem aço inoxidável, ligas de cobalto, ligas de titânio, ligas com memória de forma, metais preciosos e metais puros, como tântalo, nióbio e zircônio.
1. Aço inoxidável
O aço inoxidável médico (aço inoxidável como material biomédico) é uma liga-à base de ferro resistente à corrosão-e uma das primeiras ligas biomédicas desenvolvidas. Caracteriza-se pela facilidade de processamento e baixo custo. Deixar o trabalho a frio moldar o aço inoxidável não apenas aumenta a resistência ao escoamento, mas também endurece a liga contra a ferrugem, o que, por sua vez, reduz as chances de ocorrência de fratura por fadiga. Quando você olha para a microestrutura, os aços inoxidáveis se alinham como graus austeníticos, ferríticos, martensíticos ou endurecidos por precipitação-. Não é surpresa que estes aços se tenham tornado equipamento padrão no mundo médico; você os encontrará forjados em facas cirúrgicas, o sub-trilho de uma lâmina de tesoura, as mandíbulas de uma pinça hemostática e o corpo de uma agulha oca. Além dos instrumentos manuais, os aços inoxidáveis também servem em aplicações implantáveis, incluindo articulações artificiais, fixadores de placas e parafusos, suportes de arcos ortodônticos e alojamentos de válvulas de dispositivos mecânicos de válvulas cardíacas. Entre esses métodos utilitários, dominam os graus austeníticos de 316L e 317L, com teor de carbono extra-baixo para minimizar a precipitação de carboneto nos limites do grão. As especificações escritas para estas ligas foram publicadas pela primeira vez na revisão de 1987 da norma ISO para materiais metálicos implantáveis, ISO 5832 e ISO 7153. Seguindo o corpus internacional, uma norma nacional no meu país, GB 12417, foi elaborada em 1990 e adotada em 1991.
A biocompatibilidade e questões relacionadas do aço inoxidável médico dizem respeito principalmente às reações teciduais causadas pela dissolução de íons metálicos devido à corrosão ou desgaste após a implantação. Dados clínicos extensos demonstram que a corrosão do aço inoxidável médico resulta em baixa estabilidade-do implante a longo prazo. Além disso, a sua densidade e módulo de elasticidade diferem significativamente dos do tecido duro humano, resultando numa fraca compatibilidade mecânica. A corrosão pode fazer com que íons metálicos ou outros compostos entrem nos tecidos circundantes ou no corpo como um todo, levando potencialmente a reações histológicas adversas, como edema, infecção e necrose tecidual, resultando em dor e reações alérgicas. Em particular, a dissolução do íon níquel do aço inoxidável pode causar alterações patológicas graves (o aço inoxidável médico austenítico comumente usado contém aproximadamente 10% de níquel). Nos últimos anos, aços inoxidáveis médicos com baixo teor de-níquel e{8}}isentos de níquel têm sido gradualmente desenvolvidos e aplicados.
2. Ligas de cobalto
Ligas de cobalto (ligas à base de Co-como materiais biomédicos) também são comumente usadas em aplicações médicas. Comparados ao aço inoxidável, são mais adequados para a fabricação de implantes de longa duração-sujeitos a cargas exigentes no corpo, com resistência à corrosão 40 vezes maior que o aço inoxidável. A primeira liga metálica de cobalto-propositadamente projetada para a medicina foi cobalto-cromo-molibdênio, uma mistura que esfria até uma estrutura austenítica estável. Então, no final da década de 1970, surgiu uma onda de novas opções, notadamente um mutante forjado de cobalto-níquel-cromo-alumínio-tungstênio-ferro que apresenta resistência superior à fadiga, e a variante MP35N, que retém cobalto-níquel-cromo-alumínio núcleo ainda austenitiza termomecanicamente para uma microestrutura multifásica complexa. Desde então, a matriz austenítica mais magra de cobalto clínico e as variantes de cobalto-níquel se destacaram na engenharia protética.Eles moldam as hastes e copos de quadris artificiais à base de Mo{0}}de cobalto-cromo, as superfícies articuladas de joelhos de liga de cobalto-cromo e dispositivos de fixação ortopédicos, que incluem revestimento para fraturas instáveis, parafusos de costura-de trânsito e pinos ósseos{2}}encaixados por pressão. Atualmente, as ligas fundidas de cobalto-cromo-alumínio são as mais utilizadas e estão incorporadas à norma ISO 5582/4. Em 1990, meu país incluiu-o no padrão nacional GB12417.
As ligas de cobalto normalmente permanecem em um estado passivo dentro do corpo humano, raramente corroendo. Comparado ao aço inoxidável, seu filme passivo é mais estável e-resistente à corrosão. Eles também oferecem a melhor resistência ao desgaste de todos os materiais metálicos médicos, geralmente considerados como não produzindo reações histológicas perceptíveis após a implantação. No entanto, devido ao seu alto custo, as articulações artificiais do quadril feitas de ligas de cobalto apresentam uma alta taxa de afrouxamento in vivo devido à liberação de íons Co e Ni causados pelo desgaste e corrosão do metal. Além disso, os elementos precipitados de Co e Ni apresentam desafios biológicos, como alergenicidade grave, que pode facilmente causar necrose celular e tecidual in vivo, causando dor, afrouxamento e afundamento das articulações. Consequentemente, a sua aplicação foi limitada. Nos últimos anos, técnicas de modificação de superfície têm sido utilizadas para melhorar as propriedades superficiais das ligas de cobalto, aumentando efetivamente a sua eficácia clínica.
3. Ligas de titânio
As ligas-à base de Ti como materiais biomédicos estão entre os metais mais biocompatíveis conhecidos. Desde a década de 1940, o titânio e as ligas de titânio ganharam gradualmente aplicação na medicina clínica. Em 1951, os humanos começaram a usar titânio puro para fazer placas e parafusos ósseos. Em meados da{15}}década de 1970, o titânio e as ligas de titânio começaram a ganhar ampla aplicação médica, tornando-se um dos materiais médicos mais promissores. Atualmente, o titânio e as ligas de titânio são utilizados principalmente em ortopedia, principalmente na reconstrução de membros e crânio. Eles são usados para fazer vários dispositivos de fixação de fraturas, articulações artificiais, calotas cranianas e dura-máter, válvulas cardíacas artificiais, dentes, gengivas, anéis de retenção e coroas. A liga de titânio mais utilizada em aplicações médicas é a TC4 (Ti-6Al-4V). Esta liga possui uma estrutura + bifásica à temperatura ambiente. Sua resistência e outras propriedades mecânicas podem ser significativamente melhoradas através do tratamento da solução e do envelhecimento.
A densidade do titânio e suas ligas é de aproximadamente 4,5 g/cm³, cerca de metade da densidade do aço inoxidável e das ligas de cobalto, aproximando-se da do tecido duro humano. Além disso, sua biocompatibilidade, resistência à corrosão e resistência à fadiga superam as do aço inoxidável e das ligas de cobalto, tornando-os atualmente os melhores materiais médicos metálicos. A afinidade do titânio e suas ligas pelo corpo humano decorre do denso filme de passivação de óxido de titânio (TiO2) em suas superfícies, que, após a implantação, induz a deposição de íons cálcio e fósforo nos fluidos corporais para formar apatita. Isto exibe um certo grau de bioatividade e ligação óssea, tornando-os particularmente adequados para implantação intraóssea. No entanto, as desvantagens do titânio e das suas ligas são a sua baixa dureza e fraca resistência ao desgaste. Se ocorrer desgaste, o filme de óxido é primeiro destruído, seguido pela liberação de produtos de corrosão de partículas de desgaste que entram no tecido humano. Em particular, o vanádio tóxico (V) na liga Ti-6Al-4V pode causar falha do implante. Para melhorar a resistência ao desgaste do titânio e suas ligas, a aminação iônica em alta temperatura ou a implantação iônica podem ser usadas para aumentar a resistência ao desgaste superficial. Nos últimos anos, algumas novas ligas de titânio (principalmente ligas do tipo) foram desenvolvidas, todas com foco na redução de elementos prejudiciais ao corpo humano, melhorando efetivamente a biocompatibilidade das ligas de titânio.
4. Ligas com memória de forma
A pesquisa sobre ligas médicas com memória de forma (SMAs) como materiais biomédicos começou na década de 1970 e rapidamente ganhou ampla aplicação. O SMA mais utilizado na prática clínica é o SMA de níquel-titânio. A temperatura de recuperação da memória de forma dos SMAs médicos é de 36 ± 2 graus, o que corresponde à temperatura do corpo humano e demonstra biocompatibilidade comparável às ligas de titânio. No entanto, como os SMA contêm uma grande quantidade de níquel, o tratamento inadequado da superfície pode fazer com que os íons de níquel se difundam e penetrem nos tecidos circundantes, causando necrose celular e tecidual. SMAs médicos são usados principalmente em cirurgia plástica e odontologia. Os stents-autoexpansíveis, especialmente os stents cardiovasculares, são um excelente exemplo de sua aplicação.
5. Metais preciosos e metais puros: tântalo, nióbio e zircônio
Metais preciosos médicos referem-se a ouro, prata, platina e suas ligas usadas como materiais biomédicos. Os metais preciosos têm excelente biocompatibilidade, forte resistência à oxidação e à corrosão, estabilidade física e química única, excelentes características de processamento e não-são tóxicos para o tecido humano. Eles são usados em restaurações dentárias, reparos cranianos, dispositivos eletrônicos implantáveis, próteses neurais, dispositivos de estimulação do nervo auricular e diafragmático, dispositivos nervosos visuais e eletrodos de marca-passo.
O tântalo para restaurações dentárias possui excelente estabilidade química e resistência à corrosão fisiológica. O óxido de tântalo é essencialmente não absorvido e não{1}}tóxico. O tântalo pode ser combinado com outros metais sem danificar o filme de óxido superficial. Na clínica diária, parece possível unir metais, evitando ao mesmo tempo a ruptura da camada contínua de óxido que passiva suas superfícies. Como o tântalo, o nióbio e o zircônio exibem perfis de microestrutura e de reatividade estreitamente alinhados com os do titânio, eles foram avaliados para diversas aplicações de implantes, desde enxertos ósseos instrumentados e raízes dentárias{5}}parafusadas até seções articuladas de dentaduras removíveis, stents vasculares de parede-fina e o amplo espectro de dispositivos, como corações artificiais totais modulados por temperatura-. No entanto, a procura destes metais na prática rotineira permanece limitada; seu refinamento inerente e economia de fabricação os posicionam muito além dos orçamentos da maioria das margens de implantes.
