Title

Caracterização e comparação de propriedades mecânicas do ti-6al-4v e ti-cp para aplicações biomédicas

Characterization and Comparison of Mechanical Properties of Ti-6Al-4V and Ti-cp for Biomedical Applications

Authorship

VIEIRA, PATRICK DE LIMA; RIBEIRO, KÉSIA SIMÕES; SANTOS, BERNARDO CHICHIERCHIO DA SILVA; SAMPAIO, RENATA LIMA LORUSSO; SANTOS, CLAUDINEI DOS; ELIAS, CARLOS NELSON

VIEIRA, PATRICK DE LIMA

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SAMPAIO, RENATA LIMA LORUSSO

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SANTOS, CLAUDINEI DOS

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ELIAS, CARLOS NELSON

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DOI

10.5151/2594-5327-44386

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Abstract

A seleção de biomateriais metálicos para a substituição de tecidos duros baseia-se fundamentalmente na adequação de suas propriedades mecânicas de modo a garantir a integridade estrutural e a correta transferência de cargas ao esqueleto. O titânio comercialmente puro (Ti-cp) e a liga Ti-6Al-4V são amplamente utilizados em endopróteses ortopédicas, contudo, a disparidade elástica entre esses materiais e o osso cortical fomenta debates acerca da longevidade clínica dos implantes. Este estudo promoveu uma investigação comparativa rigorosa da microdureza Vickers e do módulo de elasticidade dinâmico de ambas as ligas, correlacionando os índices obtidos com o perfil biomecânico do fêmur humano. Os resultados revelaram que, embora a liga Ti-6Al-4V exiba uma dureza superior (357 ± 24 HV) decorrente do endurecimento por solução sólida e efeitos bifásicos, ambos os sistemas metálicos operam sob um limiar elástico excessivamente elevado (~113 GPa). Quando confrontados com o módulo elástico do osso cortical (~15,68 GPa), evidencia-se um cenário de severo desalinhamento mecânico. Discute-se, sob a ótica da mecanobiologia óssea, o papel dessa assimetria elástica na manifestação do fenômeno de stress shielding (blindagem de tensões), culminando na reabsorção óssea periprotética asséptica.

The selection of metallic biomaterials for hard tissue replacement is fundamentally based on the suitability of their mechanical properties to ensure structural integrity and correct load transfer to the skeleton. Commercially pure titanium (cp-Ti) and the Ti-6Al-4V alloy are widely used in orthopedic endoprostheses; however, the elastic disparity between these materials and cortical bone fuels debates about the clinical longevity of the implants. This study conducted a rigorous comparative investigation of the Vickers microhardness and dynamic modulus of elasticity of both alloys, correlating the obtained indices with the biomechanical profile of the human femur. The results revealed that, although the Ti-6Al-4V alloy exhibits superior hardness (357 ± 24 HV) due to solid solution hardening and biphasic effects, both metallic systems operate under an excessively high elastic threshold (~113 GPa). When compared to the elastic modulus of cortical bone (~15.68 GPa), a scenario of severe mechanical misalignment becomes evident. From the perspective of bone mechanobiology, the role of this elastic asymmetry in the manifestation of the stress shielding phenomenon, culminating in aseptic periprosthetic bone resorption, is discussed.

Keywords

Biomateriais, Ti-6Al-4V, Titânio Comercial Puro, Compatibilidade Elástica

Biomaterials, Ti-6Al-4V, Commercial Pure Titanium, Elastic Compatibility