Estruturas Gyroid anisotrópicas em Ti-6Al-4V produzidas por fusão por feixe de eletrões (EBM) para aplicações em implantes ósseos

Arash Ataee, Yuncang Li, Darren Fraser, Guangsheng Song, Cuie Wen

Full text link: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S026412751730967X

Estruturas Gyroid anisotrópicas em Ti-6Al-4V produzidas por fusão por feixe de eletrões (EBM) para aplicações em implantes ósseos

1. Referência científica

• Título do estudo: Estruturas Gyroid anisotrópicas em Ti-6Al-4V produzidas por fusão por feixe de eletrões (EBM) para aplicações em implantes ósseos
• Autores: Arash Ataee, Yuncang Li, Darren Fraser, Guangsheng Song, Cuie Wen
• Revista científica: Não especificada nas informações fornecidas.
• Ano de publicação: Não especificado nas informações fornecidas.
• DOI: Não especificado nas informações fornecidas.

2. Contexto científico

O fabrico aditivo tem vindo a transformar o desenvolvimento de implantes metálicos destinados à regeneração óssea e à reabilitação implantar. Entre as diferentes arquiteturas porosas atualmente investigadas, as estruturas pertencentes à família das Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS), nomeadamente a geometria Gyroid, destacam-se pela capacidade de combinar elevada porosidade com uma distribuição contínua das tensões mecânicas.

Para além da geometria, o comportamento mecânico destes biomateriais depende também do processo de fabrico. Tecnologias como a fusão por feixe de eletrões (Electron Beam Melting – EBM) podem originar anisotropia estrutural, influenciando a resposta mecânica em diferentes direções de carga. A compreensão deste fenómeno constitui um passo importante para a otimização de implantes ósseos capazes de reproduzir, de forma mais próxima, o comportamento mecânico do tecido ósseo natural.

3. Objetivo do estudo

O objetivo desta investigação foi avaliar de que forma a anisotropia induzida pelo processo de fabrico por EBM influencia a microestrutura, as propriedades mecânicas e os mecanismos de falha de estruturas Gyroid em liga Ti-6Al-4V. Os autores analisaram igualmente o efeito da orientação de fabrico e da dimensão das células unitárias no desempenho mecânico dos andaimes porosos.

4. Metodologia

Trata-se de um estudo experimental pré-clínico de caracterização de materiais.

Foram produzidas estruturas Gyroid em liga Ti-6Al-4V utilizando a tecnologia Electron Beam Melting, apresentando porosidades compreendidas entre 82 % e 85 %. Foram avaliadas três dimensões de célula unitária: 2 mm, 2,5 mm e 3 mm.

Os investigadores procederam à caracterização microestrutural, à medição da dureza e à realização de ensaios mecânicos de compressão para determinar o módulo de elasticidade, o limite de escoamento e os mecanismos de rotura. As amostras foram ensaiadas em diferentes orientações para avaliar a influência da anisotropia estrutural resultante do processo de fabrico. O número de amostras analisadas não é referido nas informações disponibilizadas.

5. Principais resultados

A análise microestrutural revelou a presença de agulhas de martensite α’ orientadas no interior de grãos colunares alinhados com a direção de fabrico. A dureza média registada foi de 3,89 GPa.

As propriedades mecânicas demonstraram depender simultaneamente da dimensão da célula unitária e da orientação da amostra. O módulo de elasticidade variou entre 637 e 1084 MPa, enquanto o limite de escoamento apresentou valores compreendidos entre 13,1 e 19,2 MPa.

Foi igualmente observada uma anisotropia mecânica significativa. Em função da direção considerada, o módulo de elasticidade apresentou diferenças de aproximadamente 70 %, ao passo que o limite de escoamento variou cerca de 49 %. Os autores referem ainda que a relação entre os módulos de elasticidade medidos em direções ortogonais é semelhante à descrita para o osso trabecular.

Nos ensaios de compressão verificou-se um comportamento caracterizado pela coexistência de mecanismos de deformação dúctil e frágil. A rotura ocorreu predominantemente através da formação de bandas de esmagamento inclinadas cerca de 45° relativamente ao eixo de compressão.

6. Análise clínica

Apesar de se tratar de uma investigação exclusivamente laboratorial, os resultados fornecem informação relevante para o desenvolvimento de implantes metálicos porosos destinados à reconstrução óssea e à implantologia.

Um dos aspetos mais importantes evidenciados pelo estudo é a influência significativa da orientação de fabrico nas propriedades mecânicas finais das estruturas Gyroid. Esta observação demonstra que o desempenho de um implante produzido por fabrico aditivo depende não apenas da sua arquitetura ou porosidade, mas também das condições utilizadas durante a produção.

Outro resultado de interesse prende-se com a semelhança entre a anisotropia do módulo de elasticidade dos andaimes e a do osso trabecular. Esta característica poderá contribuir para o desenvolvimento de implantes com um comportamento mecânico mais biomimético. No entanto, o estudo não avaliou parâmetros biológicos, osteointegração, desempenho clínico ou sobrevivência dos implantes, pelo que qualquer extrapolação para a prática clínica deve ser realizada com prudência.

Consequentemente, estes resultados constituem sobretudo uma base para futuras investigações experimentais e clínicas.

7. Aplicações clínicas

Os dados apresentados poderão ser relevantes para o desenvolvimento de implantes porosos personalizados destinados à regeneração óssea, cirurgia oral, implantologia dentária e reconstrução maxilofacial.

O estudo reforça igualmente a importância de considerar a orientação de fabrico como um parâmetro de projeto durante o desenvolvimento de dispositivos obtidos por fabrico aditivo.

As informações atualmente disponíveis não permitem estabelecer indicações clínicas específicas nem formular recomendações terapêuticas.

8. Nível de evidência, limitações e transparência

Este trabalho corresponde a um estudo experimental pré-clínico centrado na caracterização mecânica e microestrutural de um biomaterial.

O respetivo nível de evidência limita-se a ensaios laboratoriais, não incluindo estudos biológicos, modelos animais nem investigação clínica.

As informações fornecidas não indicam o número de amostras analisadas nem apresentam dados relativos ao comportamento biológico ou ao desempenho a longo prazo das estruturas avaliadas.

Não foram identificadas declarações relativas a conflitos de interesse ou fontes de financiamento nas informações disponibilizadas.

9. Pontos-chave do estudo

• Tipo de estudo: Estudo experimental pré-clínico de caracterização de materiais.
• Nível de evidência: Investigação laboratorial pré-clínica.
• População estudada: Não especificada nas informações fornecidas.
• Número de doentes ou implantes: Não aplicável.
• Período de acompanhamento: Não aplicável.
• Principal variável avaliada: Influência da anisotropia estrutural nas propriedades mecânicas de estruturas Gyroid em Ti-6Al-4V produzidas por EBM.
• Principal resultado: A orientação de fabrico influencia significativamente o módulo de elasticidade e o limite de escoamento, apresentando uma anisotropia semelhante à observada no osso trabecular.
• Conclusão científica: As estruturas Gyroid produzidas por Electron Beam Melting apresentam propriedades mecânicas direcionais que poderão ser relevantes para futuras aplicações em implantes ósseos.
• Limitações: Estudo exclusivamente laboratorial, sem validação biológica ou clínica; outras limitações metodológicas não são descritas nas informações fornecidas.

10. Impacto científico

Este estudo contribui para aprofundar o conhecimento sobre a influência do processo de fabrico aditivo nas propriedades mecânicas de estruturas porosas em liga Ti-6Al-4V. Em vez de considerar apenas a geometria do andaime, demonstra que a orientação durante a produção constitui um fator determinante no comportamento estrutural final.

Os resultados fornecem dados relevantes para o desenvolvimento de implantes biomiméticos capazes de reproduzir, de forma mais próxima, o comportamento mecânico do osso trabecular. Esta abordagem poderá apoiar futuras estratégias de conceção de implantes personalizados para aplicações em implantologia e reconstrução óssea.

Contudo, a confirmação da relevância clínica destes resultados dependerá de estudos biológicos, pré-clínicos e clínicos adicionais.

11. Conclusão editorial

Este estudo experimental demonstra que a orientação de fabrico durante o processo de Electron Beam Melting influencia significativamente o comportamento mecânico de estruturas Gyroid em Ti-6Al-4V. A anisotropia observada, semelhante à do osso trabecular, constitui um resultado promissor para o desenvolvimento de implantes ósseos porosos. Ainda assim, as conclusões devem ser interpretadas no contexto de uma investigação laboratorial, sendo necessária validação biológica e clínica antes da sua aplicação na prática clínica.