O titânio como elemento químico caracteriza-se pela sua baixa densidade (cerca de 60% da densidade do ferro), elevada resistência mecânica (através de adição de elementos de ligas ou por encruamento) e excelente biocompatibilidade. A resistência à corrosão é também muito boa pois o titânio e as suas ligas possuem a capacidade de formar uma camada protetora de óxidos mesmo estando expostas aos tecidos e fluidos do corpo humano (Davis 2003). A camada protetora é maioritariamente constituída por TiO2 e possui uma espessura que varia entre 2 a 20
nm (Brunette et al. 2001). Quando comparadas segundo a resistência mecânica específica (resistência mecânica/densidade), as ligas de titânio são bastante superiores às ligas de Co-Cr e aos aços inoxidáveis (NACE International 2010).
As ligas de titânio podem ser caracterizadas em grupos consoante as formas alotrópicas que presentes na microestrutura. O titânio puro possui duas formas alotrópicas distintas sendo elas α e β, consoante a temperatura. A primeira forma alotrópica caracteriza-se por ter um arranjo hexagonal compacto (hexagonal close packed) que é estável até aos 882±2⁰C. Para temperaturas superiores, a forma alotrópica estável é β, sendo cúbica de corpo centrado (body-centered cubic). A forma α caracteriza-se por conferir anisotropia às ligas maioritariamente constituídas por esta estrutura cristalográfica (Leyens e Peters 2003). As propriedades mecânicas das ligas de titânio variam consoante as proporções das duas formas alotrópicas que são conseguidas através de elementos de liga que influenciam as temperaturas de transformação. Deste modo as ligas de titânio dividem-se maioritariamente em α, α+β e β.
Uma das primeiras ligas a ser utilizada no fabrico de implantes foi a Ti6Al4V. Cerca de 45% da produção de Titânio mundial é desta liga (Davis 2003). Esta liga é popular na indústria aeronáutica sendo o seu comportamento mecânico bem conhecido, em particular a resistência à fadiga (Leyens e Peters 2003). A microestrutura é constituída pelas fases α e β, como pode ser visto na Figura 16. Arrefecimentos lentos produzem microestruturas com grãos de α definidos e β nas juntas de grão. Quanto mais súbito for o arrefecimento, após estágios no domínio β, mais assinalável será a presença produtos da fase β transformada, obviamente dependendo da influencia dos elementos de liga nas temperaturas de transição entre fases. Os produtos da fase β transformada variam entre estruturas aciculares, serrilhadas, lamelares e martensíticas, à semelhança do que acontece nos aços. A imagem E da Figura 16 é proveniente da norma ISO 20160, que define microestruturas para titânios α+β destinados a implantes, sendo referenciada pela ISO 5832-3, que define os parâmetros da liga Ti6Al4V. Uma das variantes da Ti6Al4V possui a designação ELI significando extra low interstitials. Esta liga diferencia-se pela presença inferior de elementos intersticiais (O,N e H) nas estruturas cristalográficas. A resistência mecânica desta liga é um pouco inferior.
Figura 16 - Microestruturas de Ti6Al4V; A: (100X, reagente de Keller) estado pós-fundição contendo fase β transformada em α devido ao arrefecimento e α acicular; B: (200X, solução de 2% HF+10%HNO3+88%H2O) amostra de varão (⌀ 1″)
recozida 2 hr a 704 ⁰C e arrefecida a ar contendo grãos alongados de fase α (claro) e fase β intergranular (escura); C: (200X, solução de 2% HF+10%HNO3+88%H2O) amostra de varão arrefecida em forno após 1 hr a 954 ⁰C (< temp. de
transição β) revelando grãos de α equiaxiais (claro) e β (escuro) nas juntas; D: (250X, reagente de Kroll) amostra arrefecida em água forjada após forjamento 1038 ⁰C (> temp. de transição β) constituída apenas por martensite; E: microestrutura (200X, solução de 2% HF+10%HNO3+88%H2O) A3 da norma ISO 20160; A, B,C e D adaptados de (ASM 1972); E adaptado
de (ISO 2006).
O titânio comercialmente puro (Ti CP) é também um biomaterial importante e foi também dos primeiros a ser utilizado. Pertence ao grupo dos titânios α e representa cerca de 30% da produção mundial de titânio. Existem quatro variantes deste titânio, diferenciando no conteúdo de ferro, oxigénio e azoto, consequentemente traduzindo-se em propriedades mecânicas diferentes, sendo a resistência mecânica maior, quando mais elevada for a categoria (grade).
Os titânios CP e os Ti6Al4V não foram especialmente desenvolvidos para aplicações médicas. Embora estas ligas apresentem propriedades bastante interessantes como biomateriais, novas ligas têm vindo a ser desenvolvidas especialmente para essa área. Estas ligas especializadas, pretendem colmatar certas falhas das ligas já mencionadas. Uma das desvantagens da Ti6Al4V reside na presença de elementos de liga tóxicos como o vanádio (Leyens e Peters 2003). Outro dos problemas associados às ligas tradicionais reside no módulo de elasticidade consideravelmente mais elevado que o do osso, provocando o fenómeno de stress shielding a longo prazo. Dadas estas questões, novas ligas foram investigadas. O vanádio como elemento de liga foi substituído por elementos alternativos como o nióbio, o molibdénio, o ferro ou o tântalo (Leyens e Peters 2003). Algumas dessas ligas são: Ti-5Al-2.5Fe, Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-15Mo-3Nb- 3Al, Ti-6Al-7Nb, Ti-6Al-7Nb, Ti-13Nb-13Zr-5Ta e Ti-30Ta. As novas ligas são também maioritariamente constituídas pela fase β, sedo o módulo de elasticidade mais baixo e próximo do osso (Leyens e Peters 2003). Ion R. et al. (2014) analisou a liga Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-0.5N a nível de resposta biológica comparando-a à Ti6Al4V (Ion et al. 2014). Para além dos elementos de liga
alternativos ao vanádio e ao alumínio, esta liga possui um módulo de elasticidade da ordem dos 50 GPa, sendo bastante mais baixo que o módulo da Ti6Al4V (≈100 Gpa) e também próximo do módulo do osso humano (18 a 26 GPa).
A Tabela 6 apresenta as composições químicas das principais ligas de titânio e também as normas que as definem.
Tabela 6 – Designação, normas e composição química dos Titânios usadas em implantes; A qualidade ELI do Ti6Al4V apenas é definida pela norma ASTM (Brunette et al. 2001; TIMET 1999).
Designação Comercial Norma ASTM Norma ISO equival ente
Composição mássica ASTM (%)
Al V Fe O C N H Ti CP-1 ASTM F67 ISO 5832-2 - - <0,20 <0,18 0,10 <0,03 <0,015 Ti CP-4 ASTM F90 ISO 5832-2 - - <0,50 <0,40 <0,10 <0,05 <0,015 Ti6Al4V ASTM F1108 ISO 5832-3 5,5 - 6,75 3,5 - 4,5 <0,20 <0,20 <0,10 <0,05 <0,015
Ti6Al4V ELI ASTM
F136 - 5,5 - 6,50 3,5 - 4,5 <0,25 <0,13 <0,08 <0,05 <0,012