Texturização de superfícies – Processo de subtração

Na texturização superficial por subtração, é possível conseguir somente um tipo de superfície: a rugosa. Dentre as técnicas de texturização por subtração, as mais utilizadas são o jateamento por partículas, o ataque ácido e, mais recentemente, a técnica por feixe de Laser (DINATO, 2001).

(a) Tratamento mecânico por jateamento: os implantes são submetidos a tratamentos mecânicos que visam à aposição mecânica do tecido ósseo ao implante. Geralmente, essa finalidade é alcançada por meio do aumento da rugosidade superficial. O

aumento da rugosidade das superfícies é feito geralmente com o jateamento com partículas duras de óxido. Os óxidos mais usados são os de Ti, Al ou Si.

Estudos atestam a biocompatibilidade e as características da osseointegração obtidas na aplicação dessa técnica (COOPER, 1999). Wennerberg, et al. (1995) avaliaram a resposta óssea a três diferentes superfícies: lisa, jateada por TiO2 e jateada por Al2O3. Após 12 semanas, realizou-se o teste de torque reverso1 e foi observado que Al2O3 teve média de 32,7 Ncm e TiO2 teve média de 35,4 Ncm, ambos superiores aos de implantes de superfície lisa, 28,6 Ncm.

(b) Ataque ácido: os implantes usinados são imersos em ácidos concentrados (ácidos fluorídrico, sulfúrico ou clorídrico) por um intervalo de tempo determinado, criando rugosidades ou retenções na superfície do implante.

Klokkevold e colaboradores (1997) compararam a resistência ao torque de remoção de implantes de titânio com superfície condicionada por ácido (Osseotite®) e implantes de superfície lisa. Após 2 meses, os implantes foram removidos por torquímetro digital, sendo que os condicionados por ácido tiveram média de 20,5 Ncm e os lisos tiveram média de 4,95 Ncm.

Após o ataque ácido, é feita imersão em solução de H2O2. O papel da H2O2 é a formação de uma camada estável de óxido, após a exposição do metal ao ácido, além da neutralização do processo. Também é aplicado na limpeza após os tratamentos de jateamento para retirar partículas inclusas.

Nesse aspecto, o processo de usinagem (implantes lisos) é considerado o de melhor resultado no tocante à contaminação de superfície. Processos de texturização de superfícies podem causar contaminação do implante, caso a neutralização dos agentes ácidos utilizados no processo seja insuficiente, ou a eliminação de elementos abrasivos aplicados nas técnicas de abrasão mecânica não seja realizada de maneira eficiente (DINATO, 2001).

Recentemente, estudos foram dirigidos para o aperfeiçoamento de outra técnica de texturização superficial por subtração, envolvendo o uso de Laser (GAGGL, 2000). A contaminação de superfícies de titânio que receberam técnicas tradicionais de texturização influenciou pesquisadores a desenvolver técnicas cuja realização não exigisse diferentes elementos químicos. O Laser, por ser um feixe de luz concentrado, que necessita somente de

1Torque reverso é _a medida_{na qual os implantes são removidos num sentido anti-horário, até que} a força necess_{ária para o} rompimento da interface osso/implante é obtido (FAEDA, 2006).

um meio físico para propagar-se, foi utilizado para esse fim. Estudos preliminares indicaram resultados similares aos de técnicas de texturização mais aplicadas, entretanto com grau de contaminação superficial significativamente menor (DINATO, 2001).

(c) Laser Nd-YAG: o feixe de Laser, daqui a diante denominado preferencialmente como Laser, acontece numa intrincada cadeia de eventos, alguns dos quais são intrínsecos ao processo de geração e amplificação do ressonador, enquanto que outros são extrínsecos, decorrentes das configurações, ajustes. Fazemos uma descrição sucinta sobre o Laser, contudo, sem entrar no equacionamento matemático, pois o enfoque deste trabalho é a avaliação dos resultados provenientes da interação Laser/titânio.

A palavra LASER, do inglês “Light Amplification by Stimulated Emission of

Radiation”, significa: “Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação”. Seu

princípio de funcionamento está na criação de uma população de elétrons estimulados a saírem do seu estado natural para um estado de maior energia, que ao retornarem ao seu estado original, emitem fótons com uma energia correspondente à energia de transição do átomo. Esse processo em cadeia gera uma avalanche de emissões estimuladas de fótons, formando o feixe de fótons, o qual pode ser transportado através de um espelho semi- transparente como uma luz altamente monocromática e direcional, permitindo, assim, obter-se um foco extremamente preciso. A Figura 7 apresenta o modelo da emissão estimulada, contrastando com a emissão espontânea, sendo que na primeira, os fótons emitidos têm as mesmas propriedades como energia e direção de propagação do fóton absorvido, enquanto nessa última, isto não ocorre (ATKINS, 1999).

As interações de fótons com átomos em várias órbitas procedem-se principalmente por três processos: absorção, emissão espontânea e emissão estimulada. Um fóton pode ser absorvido por um átomo e, em conseqüência, um elétron passa de uma órbita para outra, de energia maior, Figura 7(a). O fóton só pode ser absorvido se a sua energia é igual à energia do estado final menos a energia do estado inicial. Esse processo é chamado de absorção e se diz que o átomo correspondente fica num estado excitado.

Figura 7.Transições Radiativas entre Níveis de Energia .

Um elétron pode passar espontaneamente de uma órbita para outra, de energia menor e, com isso, o átomo correspondente emite um fóton numa direção qualquer, Figura 7(b). O fóton emitido tem energia igual à energia do estado inicial menos a energia do estado final. Esse processo é chamado de emissão espontânea ou decaimento espontâneo e é o processo pelo qual a maioria dos átomos com excesso de energia passam a estados de menor energia. Diferentes materiais têm diferentes estruturas de órbitas e, portanto, irradiam fótons de diferentes comprimentos de onda.

Um elétron pode ser estimulado a passar de uma órbita para outra, de energia menor, por um fóton de energia igual à energia do estado inicial menos a energia do estado final, Figura 7(c). Esse processo é chamado de emissão estimulada. O fóton que estimulou a transição e o fóton emitido pelo átomo é coerente, isto é, têm energias, freqüências, comprimentos de onda e fases iguais e, ainda, a mesma direção de propagação. Esse é o processo básico de amplificação da radiação que origina o raio laser (ATKINS, 1999).

Os tipos de Lasers mais empregados nos trabalhos de materiais são os gerados por uma mistura gasosa, contendo gás carbônico e os geradores por Nd-YAG (Neoymium –

Yttrium Aluminum Garnet) no estado sólido. Ambos os lasers, CO2 e Nd-YAG, podem ser usados em aplicações de corte, solda e modificações de superfície. Até recentemente, somente laser de CO2 era usado para modificar superfícies. Pelo advento do laser de alta potência de Nd-YAG no mercado, essa limitação foi eliminada e existe uma tendência atual nas indústrias da troca do laser de CO2 pelo de Nd-YAG. Isso se deve pela vantagem de transporte do feixe por fibras óticas flexíveis e maior absorção do laser pelo metal para este último tipo, o que compensa a sua menor eficiência com relação ao laser de CO2(WETTER, 2000). A eficiência típica de uma Laser de estado sólido, caso do Nd-YAG, é a relação entre a energia armazenada nos capacitores da fonte de alimentação e a energia do pulso do Laser, sendo essa relação de apenas 1 a 3%. Assim, um eficiente sistema de refrigeração deve ser utilizado para arrefecer o excesso de energia, que é transformada em calor (SANTOS, 2001).

No laser ativo de Nd:YAG, o YAG denota a matriz hospedeira yttrium aluminum

garnet (estrutura granada de yttrium e alumínio), com fórmula Y3Al5O12 (HECHT, 1983). O

neodímium Nd é o dopante (incorporado numa proporção de 0,725%), íon com valência Nd+3, elemento da família terra rara, incorporado à rede cristalina como substitucional ao yttrium Y. O cristal, que tem simetria cristalina cúbica, é crescido na forma de tarugo com eixo maior na direção [111]. Posteriormente, o tarugo é usinado na forma de um bastão cilíndrico com 6 mm de diâmetro e comprimento entre 50 e 200 mm. Ao ser estimulado por luz branca, o íon dopante Nd3+emite radiação fluorescente com comprimento de onda λ = 1,064 μm e largura espectral Δλ ~ 4 Å. Essa radiação pode se transformar em Laser se o elemento ativo apresentar ganho suficiente e estiver adequadamente alinhado no interior de um ressonador óptico (SILFVAST, 1996).

O regime de operação da emissão Laser é determinado pela fonte de bombeamento,ou seja, pela fonte chaveada de alimentação, e pode ser continua ou pulsada. No caso do regime contínuo, o único parâmetro de controle é a potência do Laser; no caso de regime pulsado, os parâmetros de controle podem ser a energia de pulso, a largura temporal de cada pulso e a taxa de repetição. O acoplamento entre as energias fornecida pela lâmpada de bombeamento e o elemento Laser é feito por um invólucro que envolve o mesmo, o qual tem a função de transferir a maior parte possível da luz da lâmpada para o bastão Laser. Esse invólucro é normalmente chamado de cavidade bombeadora, e pode ser construído de diversas maneiras. Pode ser um refletor especular cilíndrico ou elipsoidal, ou pode ser um refletor difuso, ambos com o bastão Laser e a lâmpada bombeadora no seu interior (SANTOS, 2001).

A modificação de superfície de alvos metálicos de Ti cp pode ser obtida empregando- se irradiação com feixe de laser. Porém, deve-se estabelecer a correta relação entre os parâmetros do feixe, tais como freqüência, tempo de aplicação, energia e intensidade, com a composição obtida e morfologia da superfície irradiada. No processo de adesão celular à superfície de biomateriais, a topografia e energia de superfície desempenham papel fundamental na adesão osteoblástica que ocorre na osseointegração (ANSELME, 2000). A topografia relaciona-se com a morfologia e rugosidade da superfície e a energia de superfície dependerá das fases presentes (KASEMO, 1983).

Dentre os parâmetros do feixe de laser, uma das principais características é a fluência, isto é, a densidade de energia que o material receberá numa determinada área (equação 1), sendo Ep é a energia de pulso, f é a freqüência, D é o diâmetro do feixe de laser e V é a velocidade de varredura. A largura e a energia do pulso, a potência média e de pico variam em

função da taxa de repetição, sendo obtidas pelas curvas do equipamento, Figura 8. ) 1 ( 2⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = cm J V D f E F p

Um experimento utilizando laser pulsado de Nd:YAG com níveis de intensidade que não levaram à fusão superficial em amostras de titânio, mostrou que após um certo número de pulsos, uma nova microestrutura se forma com acentuação de rugosidade na superfície, e que a continuidade da emissão do feixe leva ao “alisamento” da mesma, com a formação microestrutural dentrítica (MORITZ, 2003).

Figura 8. Curvas referentes ao comprimento do pulso, energia de pulso, potência média e de

pico versus freqüência (LASERVALL, 2003).

Um aumento na molhabilidade dos implantes é obtido pela oxidação da superfície de Ti c.p. (CUSTÓDIO, 2001). O nitreto e o óxido de titânio são considerados pela Food and Drugs Administration como um material biologicamente inerte e adequado ao uso em implantes de titânio e suas ligas (SOVAK, 2000). A oxidação da superfície de alvos metálicos de Ti cp, tanto em atmosfera normal quanto de N2, empregando-se irradiação com feixe de laser é de grande importância tecnológica devido ao aumento de área de superfície e aos óxidos e nitretos de titânio formados serem biocompatíveis.

Diversos trabalhos têm sido publicados nos últimos anos (SELAMAT, 2001; GARCÍA, 2002; PÉREZ del PINO, 2002) correlacionando os parâmetros do feixe de laser, à atmosfera utilizada e às fases formadas, bem como à morfologia da superfície. György e colaboradores estudaram a oxidação de superfícies metálicas através da irradiação por laser em ar e em pressão atmosférica (GYÖRGY, 2004) e também estudaram a nitretação de superfícies metálicas de titânio mediante irradiação por laser em atmosfera de nitrogênio (GYÖRGY, 2002). As estruturas formadas foram estudadas pela técnica de espectroscopia micro-Raman. Observou-se que a menor proporção O/Ti, ou seja, o maior desvio da estequiometria TiO2 (rutilo e anatase), encontra-se nas regiões do centro e na superfície da zona de irradiação.

Hallgren et al (2003), utilizando Laser Nd:YAG, irradiaram 120 implantes com fluência de 3,5 mJ/pulso. Após 12 semanas de implantação, os implantes foram removidos por meio de torque reverso. Para os implantes irradiados por laser, obteve-se 52 Ncm e 35 Ncm para os lisos. Os autores concluíram que os implantes com superfície modificada por feixe de laser obtiveram uma melhor e mais estável fixação ao osso em relação aos usinados, indicando a importância de uma estrutura espacial da topografia capaz de proporcionar a integração do implante ao osso.

Atualmente deve ser levado em consideração o tipo de modificação superficial dos implantes dentários e ortopédicos. Comparando-se os processos existentes, tais como, processos mecânicos, químicos, térmicos, para este projeto a técnica escolhida para a modificação superficial foi pela irradiação de feixes de laser Nd:YAG. Essa técnica, além de reunir características equivalentes às demais, não deixa vestígios de contaminação por ser um processo limpo, reprodutível e que possibilita um maior controle das variáveis de interesse envolvidas no processo.