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Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 4349 (2023) Citar este artigo

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A prótese de joelho de eixo único é um dispositivo biomecânico artificial que fornece movimento a amputados sem a necessidade de aparelhos de assistência. Apesar de ser composto principalmente de materiais metálicos, os materiais comerciais atuais não agrupavam propriedades adequadas para uso a longo prazo ou custo acessível. Este estudo produziu e caracterizou ligas de Ti-(10 −x)Al-xV (x = 0, 2 e 4% em peso) para uso potencial como próteses de joelho de eixo único. As amostras exibiram uma diminuição gradual nos valores de densidade, com mistura química adequada dos elementos de liga na microescala. A composição de fases exibiu uma fase α primária com uma fase α′ + β secundária para as amostras de Ti-8Al-2V e Ti-6Al-4V. Devido ao seu raio atômico diferente em relação ao Ti, a adição de elementos de liga alterou os parâmetros da célula. Suas propriedades mecânicas selecionadas (módulo de Young, microdureza Vickers e fator de amortecimento) apresentaram valores melhores do que o CP-Ti grau 4. As amostras também exibiram boas propriedades de corrosão contra a solução marinha simulada. A resistência à tribocorrosão das amostras foi melhor que o material de referência, com as faixas de desgaste compostas por algumas tribocamadas e sulcos resultantes do desgaste adesivo e abrasivo. A liga Ti-10Al apresentou as melhores propriedades e baixo custo estimado para ser utilizada como prótese de joelho de eixo único.

A prótese de joelho é um dispositivo biomecânico usado por pacientes amputados de perna e é uma maneira eficiente de se recuperar de andar, correr e ficar em pé sem a necessidade de aparelhos auxiliares. A amputação de membros inferiores resulta de lesões (acidentes de trânsito ou de trabalho) ou doenças (crônicas ou relacionadas à idade) que requerem a remoção cirúrgica do membro1. As próteses de joelho podem ser mecânicas ou computadorizadas, sendo a primeira a escolha mais barata para o paciente. A prótese mecânica de joelho também é dividida de acordo com o número de eixos de rotação, que podem ser de eixo único, multieixos ou policêntricos2. O eixo único é o tipo mais simples que permite apenas flexão e extensão do joelho, sendo a opção de melhor custo-benefício para pessoas pobres e idosas2,3. As principais desvantagens envolvem o excesso de força muscular necessária para manter uma marcha estável e em pé, e a dificuldade em controlar a rotação do joelho, o que pode afetar o padrão de marcha e gerar risco de quedas e lesões4. Considerando que as atuais próteses de aço inoxidável não atendem às necessidades clínicas, o design de ligas à base de Ti de baixo custo pode potencialmente superar essas desvantagens sem aumentar excessivamente os custos.

O Ti e suas ligas têm sido empregados principalmente como materiais biomédicos devido às suas propriedades mecânicas, corrosão, desgaste e biológicas favoráveis. A utilização consiste principalmente em implantes e aparelhos para ortopedia, cardiologia e odontologia5. A combinação de elementos de liga e tratamentos termomecânicos adequados pode alterar a proporção de α (estrutura cristalina compacta hexagonal, hcp) e fase β (estrutura cristalina cúbica de corpo centrado, bcc) ou precipitar fases metaestáveis ​​(como α' martensítico e α″ ou ω) que podem impactar diretamente nas propriedades do Ti6. A formação de soluções sólidas de Ti com elementos de liga não tóxicos tem se estabelecido atualmente como uma estratégia inteligente para superar as limitações quanto ao efeito de blindagem de estresse promovido pela incompatibilidade do módulo de Young com o osso humano, falhas promovidas pela corrosão de fluidos corporais e toxicidade resultaram de íons liberados e detritos originados por mecanismos de desgaste7. No entanto, desenvolver novos materiais à base de Ti que atendam a todas as necessidades clínicas ainda é um desafio.

A liga Ti-6Al-4V, também chamada de CP-Ti grau 5, é designada pela norma ASTM F1368 e é atualmente a liga de Ti mais popular em todo o mundo. O material foi desenvolvido na década de 1950 visando o uso em componentes estruturais de aeronaves e espaços aéreos devido à sua leveza, alta resistência, excelente tenacidade à fratura e boa resistência à corrosão proporcionada por sua composição de dupla fase α + β. Na década de 1970, o material passou a ser utilizado como biomaterial, especificamente na fabricação de implantes ortopédicos. No entanto, algumas preocupações sobre a liberação de íons nocivos e tóxicos de Al e V ainda estão alertando a Medicina9,10. Nesse cenário, algumas estratégias para superar essa desvantagem e abrir novas aplicações baseiam-se na adição de elementos de liga, como as ligas Ti–Al–V–X (X = Fe, Zr e Mo)11,12,13. No entanto, os estudos atuais focam apenas nas aplicações potenciais de ligas de Ti em implantes biomédicos sem considerar próteses externas, apesar das extensas demandas no campo.