MODIFICAÇÃO SUPERFICIAL COM JATEAMENTO DE ÓXIDO DE
TITÂNIO (TIO
2) APÓS USINAGEM EM TORNOS CNC DE CABEÇOTE
MÓVEL
Mizael Rodrigues1, Joaquim Rocha1, Eduardo Bock1
1Laboratório de Bioengenharia e Biomateriais, Departamento de Mecânica, Instituto Federal de Educação,
Ciência e Tecnologia de São Paulo, IFSP, São Paulo (SP), Brasil. E-mail: mizael.rodrigues@ifsp.edu.br
Resumo. O titânio é utilizado em implantes dentários por suas propriedades como biomaterial. O jateamento de
óxido de titânio (TiO2) na superfície dos implantes visa melhorar sua osseointegração. Visando melhorias na
produtividade, foram conduzidos experimentos numa indústria de implantes dentários para avaliar a influência de parâmetros de usinagem na superfície de implantes dentários. Foram utilizadas amostras de diferentes diâmetros e foram medidas suas rugosidades, antes e após jateamento, com e sem ataque químico de assepsia. Os resultados apontam aumento da rugosidade de forma aleatória conforme o aumento do avanço, evidenciando que não há relação entre a rugosidade e avanço da usinagem. As amostras expostas ao jateamento que não foram submetidas ao processo químico de assepsia apresentaram diminuição da rugosidade, em comparação com a rugosidade das amostras jateadas e submetidas ao processo de assepsia. Porém, de certa forma, essa tendência se manteve constante levando à conclusão que o processo de jateamento torna a rugosidade superficial uniforme, independente da variação de rugosidade.
Palavras-chave: Jateamento com TiO2, Osseointegração, Implantes dentários
1. INTRODUÇÃO
Historicamente, a literatura nos mostra que o homem busca de maneira incessante aprimoramentos em tudo que está relacionado ao cotidiano. Tudo que produzimos para o nosso bem-estar está em constante processo de desenvolvimento e melhoria capazes de justificar a habilidade do ser humano de modificação do meio em que vive a benefício próprio.
Ao citarmos a odontologia como um dos segmentos que fazem parte da nossa vida, estamos nos referindo também a avanços tecnológicos na área de processos e materiais.
O titânio é um material comumente utilizado na fabricação de implantes dentários por apresentar excelentes características químicas (grande estabilidade de sua camada superficial de óxido, mecânicas (dureza elevada e boa tenacidade) e biológicas (biocompatibilidade devido à baixa reatividade com organismos vivos).
O estudo da superfície destes implantes pode proporcionar melhor entendimento na sua capacidade de osseointegração, além de permitir a flexibilização no processo de fabricação.
O jateamento de óxido de titânio (TiO2) na superfície dos implantes visa melhorar a osseointegração, pois forma uma camada rugosa.
A osseointegração está relacionada a capacidade do implante de interagir harmonicamente com o organismo vivo que o recebe. O implante deve interagir com o material vivo que está ao seu redor, para que possa desempenhar a função no qual foi designado. Segundo a literatura, a superfície do implante deve possuir características próprias para que isso ocorra. A rugosidade da superfície dos implantes torna-se, neste contexto, a protagonista deste trabalho.
Foram preparadas diversas amostras com variação de rugosidade e exposição ao óxido de titânio constante com o objetivo de verificar a influência provocada pela alteração dos
parâmetros de usinagem na superfície jateada através da variação da rugosidade superficial. Os resultados dos testes poderão auxiliar no entendimento da melhor rugosidade a ser utilizada, além de verificar se o tempo de exposição ao jateamento pode ser alterado.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Biomateriais
A utilização de diferentes tipos de materiais para substituir ossos e articulações do corpo humano vem ocorrendo no universo da medicina há várias décadas. Para que isso seja possível, o material escolhido deve apresentar características peculiares que permitam a aceitação ou tolerância do organismo para este corpo estranho.
Na odontologia, a evolução dos tratamentos trouxe consigo a necessidade de desenvolvimento de novos materiais, a fim de atender as novas necessidades. Antigamente usavam-se metais nobres como platina, prata e ouro, más o custo elevado e características mecânicas inadequadas tornaram estes metais inviáveis. Com isso, outros materiais têm sido pesquisados e utilizados em substituição a estes citados.
Aburaya afirma que “...a maioria dos materiais produz uma resposta biológica negativa, na qual as interações na superfície do material com as células determinam respostas celulares que desencadeiam reações inflamatórias e comprometimento da viabilidade celular (toxicidade). O entendimento da compatibilidade do material com sistemas biológicos (biocompatibilidade) dá-se pela habilidade de alguns materiais em induzir respostas biológicas adequadas a uma específica aplicação, em aumentar a velocidade de reparação, nos casos de substituição do tecido danificado, ou em iniciar a regeneração tecidual” (2011, p16).
No início dos anos 80, o ortopedista Bränemark descobriu casualmente que o titânio comercialmente puro não era rejeitado por organismos vivos, quando pesquisava microcirculação sanguínea em tíbias de coelhos, utilizando uma câmera feita de titânio. Ele notou que: “...o organismo não rejeitava a presença deste material em sua proximidade, gerando uma adesão do material de maneira íntima, desta forma iniciou-se a chamada era da osseointegração na implantodontia. ” (BRÄNEMARK, 1983 apud MACHADO, 2008). Desde então, o titânio vem sendo largamente estudado e utilizado em procedimentos cirúrgicos que necessitem de implantes.
3. DESENVOLVIMENTO DO PROCESSO 3.1 Rugosidade superficial e parâmetros de corte
Todo processo de usinagem que se enquadra na categoria dos processos que tem como característica a retirada de material possui uma peculiaridade que é a rugosidade superficial. Este efeito é proporcionado por parâmetros específicos de usinagem com ferramenta de corte, produzindo sulcos e saliências na superfície usinada, que podem ser classificados por meio de uma análise em equipamento específico chamado rugosímetro.
Geralmente especificado em projetos mecânicos, o acabamento superficial, representado principalmente pela rugosidade, consiste em um conjunto de irregularidades, com espaçamento regular, ou irregular, que tendem a formar um padrão ou textura característicos em uma superfície. Estas irregularidades estão presentes em todas as superfícies reais, por mais perfeitas que estas pareçam (AMORIM, 2002).
Quando alteramos alguns parâmetros de corte, estamos consequentemente alterando a rugosidade da superfície usinada. Os fatores que mais influenciam no acabamento superficial de uma peça usinada, segundo a literatura, são: processos de fabricação, geometria da
ferramenta e parâmetros de corte. Segundo Diniz et al. (2000) o parâmetro mais influente é o avanço, sendo fundamental para determinação da rugosidade. A profundidade de usinagem somente será relevante com valores superiores a 1 mm. A Figura 1 representa uma usinagem com ferramenta de determinado raio (rε) e avanço (f).
Figura 1 - Contribuição geométrica do avanço e do raio da ponta da ferramenta na rugosidade (fonte: DINIZ et al. 2000)
De acordo com essas configurações de usinagem, são produzidos picos consequentes do valor do avanço (Rmax). A formação destes picos se traduz nas informações que o rugosímetro necessita para determinar um valor de rugosidade.
É possível ilustrar a influência que o raio da ponta da ferramenta e o avanço exercem na rugosidade analisando as imagens da Figura 2. Para melhor entendimento, foram utilizados valores didáticos e adimensionais, apenas para efeito comparativo. A imagem que mostra raio da ferramenta 10 e avanço de corte 10, tem como consequência a medida dos picos formados de 1,33 (Figura 2 - A). Quando alteramos o avanço de corte para 15 e mantemos o raio da ferramenta em 10, percebemos que a medida do pico aumenta consideravelmente para 3,37 (Figura 2 - B). Aumentando o raio da ferramenta para 15 e mantendo o avanço de corte em 10, a medida do pico formado reduz para 0,86 (Figura 2 - C). Mantendo o raio da ferramenta em 15 e aumentando o avanço de corte para 15, a medida do pico é de 2. (Figura 2 - D). A configuração da letra C, em comparação com as outras 3 configurações representadas na Figura 2 é a situação que oferece condições mais favoráveis para a superfície ficar mais lisa, ou seja, os valores de rugosidade sejam mais baixos.
Comparando o quadrante superior direito ao quadrante inferior direito da Figura 2, onde o valor do avanço de corte se manteve em 15 e o raio da ferramenta aumentou de 10 para 15, é possível observar que esta alteração também contribui para melhorar a rugosidade da superfície da peça, pois a medida dos picos formados diminuiu de 3,37 para 2. Esta análise comparativa mostra claramente que é possível alterar valores de rugosidade alterando tanto o raio da ponta da ferramenta quanto o valor do avanço de corte.
A Figura 3 nos permite ter uma ideia do método de medição da rugosidade superficial, em que a agulha de leitura do rugosímetro percorre uma determinada área e uma equação matemática determina o valor da rugosidade, em função das variações encontradas nos picos e vales da superfície, formados pelo processo de usinagem.
Figura 3 - Representação gráfica do teste de rugosidade superficial - fonte: ABNT NBR ISO 4287
Rugosidade Ra é a média aritmética dos valores absolutos das ordenadas de afastamento dos pontos do perfil de rugosidade em relação à linha média, dentro do percurso de medição. Essa grandeza pode corresponder à altura de um retângulo, cuja área é igual à soma absoluta das áreas delimitadas pelo perfil de rugosidade e pela linha média, tendo por comprimento o percurso de medição. Esse parâmetro é conhecido como Ra (rugosidade média) e é expressa em micrômetro (μm) (AMORIM, 2002).
De acordo com a proposta deste trabalho, algumas situações de usinagem já estão preestabelecidas, por se tratar de um processo padronizado, referente a um produto já inserido no mercado odontológico. São eles: o processo de fabricação e a geometria da ferramenta. Desta forma, os parâmetros de usinagem estudados foram o avanço e a rugosidade. A rotação se manteve constante em 3200rpm, por se tratar de um parâmetro pré-estabelecido pela empresa fabricante de implantes onde as amostras foram produzidas. A velocidade de corte sofreu uma variação decorrente da diferença de diâmetro dos dois tipos de material utilizados nos ensaios (∅ 7 mm e ∅4,7 mm).
4. METODOLOGIA DE PESQUISA
As amostras foram fabricadas em Titânio ASTM F67 Grau 2 e ASTM F67 Grau 4 conforme norma ISO 5832-2, titânio comercialmente puro, em barras redondas e retificadas com tolerância h9 ou h7, recozidas. Este titânio demonstrou nos ensaios realizados em implantes dentários pela CCDM e SCITEC, boas resistências mecânicas à torção e à fratura.
Foram utilizados dois tornos de cabeçote móvel (Swiss Type) com controle numérico computadorizado (CNC) com 7 eixos (CITIZEN, C12 VII, Nagano, Japão) e 8 eixos (CITIZEN, M12 VIII, Nagano, Japão). A Figura mostra uma imagem geral de um dos tornos utilizados para a confecção das amostras. A imagem mostra a parte lateral onde o material é
introduzido para usinagem. Por se tratar de um equipamento CNC, na Figura 4 também é possível visualizar a central de comandos do torno.
Figura 4 - Torno CNC utilizado no trabalho - visão geral
A Figura mostra o interior do torno CNC utilizado na produção das amostras. É possível observar a pinça onde o material é fixado e o magazine de ferramentas disponíveis para os diversos tipos de torneamentos que o equipamento oferece.
Figura 5 - Torno CNC utilizado no trabalho (detalhe interior)
O processo de produção das amostras foi controlado com equipamentos como: paquímetros digitais, micrômetros digitais, projetor de perfil, microscópio digital com ampliação de até 200X, calibradores anel e tampão, que foram utilizados em medições indiretas.
As amostras foram submetidas ao processo de jateamento após a usinagem. Este processo foi realizado em dispositivo específico de propriedade da empresa fabricante de implantes dentários. Consiste em uma caixa de metal vedada, onde a amostra é rosqueada em um suporte giratório e é submetida ao jato de óxido de titânio. Visores transparentes permitem que o operador visualize o processo em andamento. O jateamento das amostras deve ser
uniforme ao longo do seu corpo externo, não podendo ter pontos brilhantes caracterizando falha no jateamento. Um dos fatores mais importantes é a uniformidade que o operador aplica no giro da manivela do dispositivo. É importante verificar se o manômetro do regulador de pressão está regulado para uma pressão de trabalho entre 3 e 4 bar. Esta pressão define a velocidade com que o grão de óxido de titânio adere à amostra e, se estiver fora de regulagem pode ocorrer falhas no processo.
O TiO2 é fornecido em pó em um recipiente com 10 kg com a especificação (99,5%). No dispositivo é colocada uma porção de 1,5 kg de TiO2 para jatear 8000 implantes dentários de diversas medidas e modelos, podendo variar para mais 10%. Estes valores já estão estabelecidos pela empresa fabricante dos implantes, onde as amostras foram produzidas. 4.1 Procedimento proposto
Quantidade de amostras e tipo de material. A quantidade de amostras definida para o experimento foi de 40 peças. As amostras foram divididas em dois grupos, um grupo com jateamento sem ataque químico denominado “assepsia”, que consiste em submeter os implantes a uma solução ácida com objetivo de limpeza da superfície, e outro grupo com jateamento e ataque químico com a mesma denominação. Todas as amostras foram submetidas aos ensaios de rugosidade antes e depois do jateamento.
5. RESULTADOS
A Figura apresenta uma visão geral do comportamento das amostras antes e depois do jateamento, sem o processo de assepsia. A Figura esclarece que antes do jateamento a variação da rugosidade é maior, configurando ausência de uniformidade.
O aumento da rugosidade depois do jateamento é visível e manteve a constância dentro de uma faixa entre 0,64 µm e 0,88 µm. Antes do jateamento os valores ficaram entre 0,12 µm e 0,64 µm. Pode-se concluir que o processo de jateamento proporciona uma uniformidade na rugosidade das amostras, independente da rugosidade que apresentava antes do processo.
0,12 0,64 0,29 0,35 0,21 0,25 0,34 0,42 0,49 0,62 0,39 0,34 0,37 0,29 0,34 0,20 0,21 0,35 0,24 0,32 0,71 0,71 0,68 0,66 0,68 0,64 0,65 0,81 0,76 0,88 0,85 0,79 0,73 0,77 0,82 0,76 0,64 0,75 0,69 0,72 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 R UGOS ID A D E (µ m ) AMOSTRAS
GRÁFICO COMPARATIVO - COM E SEM JATEAMENTO (sem assepsia)
antes do jateamento depois do jateamento
Figura 6 - Gráfico comparativo geral (antes e depois do jateamento)(sem assepsia)
A Figura 1 apresenta uma visão geral das amostras antes e depois do processo de jateamento, e que também foram submetidas ao processo de assepsia.
0,36 0,51 0,29 0,27 0,23 0,53 0,49 0,39 0,71 0,65 0,38 0,33 0,35 0,34 0,47 0,20 0,30 0,48 0,26 0,32 0,53 0,66 0,53 0,59 0,53 0,57 0,68 0,63 0,70 0,63 0,76 0,77 0,59 0,63 0,57 0,61 0,65 0,70 0,58 0,62 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 R UGOS ID A D E (µ m ) AMOSTRAS
GRÁFICO COMPARATIVO - COM E SEM JATEAMENTO (com assepsia)
antes do jateamento depois do jateamento
Figura 1 - Gráfico comparativo geral (antes e depois do jateamento)(com assepsia)
O desvio padrão do grupo de amostras que não foi submetido ao processo químico de assepsia foi de 0,13102 antes do jateamento. O desvio padrão do grupo de amostras que foi submetido ao processo de assepsia apresentou desvio padrão de 0,13631 antes do jateamento.
Após o jateamento, o desvio padrão foi de 0,07008 para o grupo de amostras sem assepsia, e 0,07006 para o grupo de amostras com assepsia.
A Figura a seguir apresenta uma comparação entre as condições com jateamento e sem jateamento dos valores das médias gerais das gotas 1 e 2 de cada amostra. As amostras sem jateamento apresentaram ângulos de contato entre 40,2º e 82,7º, enquanto as amostras com jateamento apresentaram ângulos entre 121,4º e 124º.
sem jateam. com jateam. 0° 20° 40° 60° 80° 100° 120° 140° 1 2 3 4 40,2 67,3 82,7 80,6 121,4 124,6 131,6 134,0 ÂN GU LO DE CO N TAT O (grau s) AMOSTRAS 1 2 3 4 sem jateam. 40,2 67,3 82,7 80,6 com jateam. 121,4 124,6 131,6 134,0
DADOS (COM E SEM JATEAMENTO)(MÉDIA GERAL)
Figura 8 - Gráfico da média geral do ângulo de contato das amostras com e sem jateamento
6. CONCLUSÕES
De acordo com a proposta do trabalho, uma justificativa para esse estudo é o aumento da produtividade. Ao contrário do que se conhecia na indústria, a variação dos parâmetros de usinagem não interferiu na rugosidade das amostras jateadas. Este comportamento observado pode auxiliar no processo de fabricação dos implantes, aumentando a produtividade.
Como os parâmetros da usinagem realizada antes do jateamento não oferecem alterações na sequência de fabricação das amostras, podem-se adequar estes parâmetros de acordo com a demanda de produção. Em situações em que há aumento de demanda, é possível acelerar o processo produtivo, reduzindo o “lead time”.
Em contrapartida, em situações de queda de demanda, é possível adotar procedimentos que permitam reduzir o desgaste das ferramentas de corte, consequentemente aumentando sua vida útil e melhorando seu desempenho.
Observou-se uniformidade nas superfícies jateadas. O processo de jateamento diminui o desvio padrão em relação às amostras que não foram submetidas a este procedimento.
O processo de assepsia teve influência no acabamento final. O ataque químico denominado “assepsia”, que é realizado depois do jateamento alterou os dados de rugosidade, pois
teoricamente provoca um pequeno desgaste na superfície das amostras. O grupo de amostras que não foi submetido ao processo de assepsia apresentou rugosidade entre 0,64 µm e 0,88 µm, enquanto o grupo de amostras que foi submetido ao processo de assepsia apresentou rugosidade entre 0,53 µm e 0,77 µm.
O grupo de amostras que foi produzido para ser utilizado no ensaio de molhabilidade apresentou rugosidade entre 0,11µm e 0,25 µm antes do processo de jateamento e rugosidade entre 0,64 µm e 0,79 µm depois do processo de jateamento.
O ensaio de molhabilidade demonstrou que superfícies com menor rugosidade, representadas por amostras denominadas “sem jateamento” apresentam características hidrofílicas e superfícies com maior rugosidade, representadas por amostras denominadas “com jateamento apresentam características hidrofóbicas. O grupo de amostras que não sofreu processo de jateamento apresentou valores de ângulo de contato entre 40,2º e 82,7º, evidenciando características hidrofílicas. O grupo de amostras jateadas apresentou valores entre 121,4º e 124º, apresentando assim, características hidrofóbicas.
Apesar da literatura afirmar que superfícies hidrofílicas são mais adequadas para osseointegração, podemos também afirmar que implantes dentários devem apresentar superfície rugosa para que haja ancoragem que proporcione integração com o osso, impedindo uma indesejada movimentação do implante.
Neste contexto, a obtenção de superfícies hidrofóbicas mediante processo de jateamento, e consequente aumento da rugosidade e o fato de que superfícies hidrofílicas proporcionam um ambiente adequado para osseointegração, constroem uma contradição prevista aceitável. AGRADECIMENTOS
Ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo.
A todo pessoal da empresa INP Sistema de Implantes, que sempre deixou suas portas abertas para realização dos testes práticos.
A UNESP de Sorocaba.
Ao Prof. Dr. Nilson C. Cruz da UNESP de Sorocaba, pelo apoio aos meus experimentos. Ao Prof. Dr. Givanildo Alves dos Santos.
Ao Prof. Dr. Tarcísio Fernandes Leão. Ao Prof. Dr. Waldecir Paula de Lima. Ao Prof. Dr. Fábio da Silva Bortoli.
Ao Prof. Dr. André Gustavo de Sousa Galdino.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Eduardo Guy Perpétuo Bock.
A minha amiga Rosa Corrêa Leôncio de Sá, pelo apoio a minhas pesquisas e experimentos.
Ao meu amigo Joaquim Antônio Ferreira da Rocha, pela grande ajuda que me proporcionou.
REFERÊNCIAS
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ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT NBR ISO 14644-1:2005. Salas limpas e
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ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT NBR ISO 5832-2. 2001. Implantes para
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR ISO 4287. Especificações
geométricas do produto (GPS) – Rugosidade: método do perfil – Termos, definições e parâmetros de rugosidade. ABNT. 2002.
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Wear Evaluation in Bearing System, Performance Tests, and Preliminary Hemolysis Tests. Artigo.
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BOCK, E.G.P. Projeto, Construção e Testes de Desempenho “In Vitro” de uma Bomba de Sangue
Centrífuga Implantável. Dissertação de Mestrado. 126f. Universidade Estadual de Campinas. Campinas. 2007.
DINIZ, D.; MARCONDES, F.C.; COPPINI, N.L. Tecnologia da Usinagem dos Materiais. São Paulo. Artliber. 2000.
MACHADO, A.C.P. Biocompatibilidade in vivo de implantes de titânio submetidos ao processo
biomimético. 138f. Tese (doutorado). Faculdade de Odontologia de São José dos Campos. São José dos
Campos. 2008.
