Influência do eletrólito ácido e do método de obtenção no crescimento e propriedades de óxidos anódicos e tântalo para aplicações biomédicas

• Main Author: Namur, Ricardo Sanson
• Other Authors: Marino, Claudia Eliana Bruno
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: 2015
• Subjects: Engenharias
• Online Access: http://hdl.handle.net/1884/37161

Orientadora: Profª Drª Cláudia E. B. Marino === Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPE. Defesa: Curitiba, 08/12/2014 === Inclui referências === Área de concentração: Engenharia e ciência de materiais === Resumo: Para que determinados materiais possam ser utilizados como implantes ortopédicos, algumas propriedades devem ser analisadas como, resistência à corrosão, módulo de elasticidade e resposta bioativa. Por apresentar uma boa resistência à corrosão, o Tântalo é um metal com grandes perspectivas de aplicação. O recobrimento do Tântalo com óxidos anódicos pode melhorar a interação osso-implante e também tornar este material mais estável em meios corpóreos. O objetivo principal deste trabalho foi a obtenção e a caracterização de óxidos de Tântalo de alta estabilidade termodinâmica pelo processo de anodização com diferentes métodos, eletrólitos e potenciais. Utilizaram-se os métodos potenciostático (5 e 20 V (1 h)) e potenciodinâmico (5 V), em meio de H2SO4 e H3PO4 (1 mol.L-1). Foi possível obter recobrimentos de óxido de Tântalo. O óxido obtido era o Ta2O5, identificado por análise de XPS, e sua estrutura era cristalina, como observado por espectroscopia Raman. Por MEV observou-se óxidos com morfologia não definida, homogêneos e uniformemente distribuídos. Comparou-se a estabilidade do Ta2O5 obtido em diferentes condições eletroquímicas por ensaios de potencial de circuito aberto (ECA). Determinou-se um ECA mais nobre para os óxidos potenciodinâmicos, devido ao melhor controle da cinética química por este processo. Também observou-se que maiores potenciais de obtenção (20 V) produzem óxidos mais estáveis, possivelmente por sua maior espessura. A estrutura compacta e quimicamente homogênea dos Ta2O5 obtidos em meio de Sulfatos conferiu uma maior estabilidade à estes óxidos. Já em H3PO4, há uma possível formação de um óxido de estrutura bi-camada, menos estável, pela incorporação de Fosfatos. A resistência à dissolução espontânea do Ta2O5 em meio corrosivo de sangue artificial a 37 °C por diferentes períodos foi comparada por medidas de ECA. Após a imersão, obteve-se valores de ECA menos nobres, indicando uma possível dissolução parcial das películas. Por ensaios de riscamento observou-se que o óxido Ta2O5 é altamente aderente ao substrato metálico de Tântalo, e por identação instrumentada mediu-se para o óxido de Tântalo um módulo de elasticidade menor do que o do substrato. Também foi realizada a obtenção de Ta2O5 nanoestruturado de alta área superficial, utilizando eletrólito ácido de baixa concentração, com a adição de Fluoretos, visando melhora na interação osso-implante. Empregou-se o método potenciostático (20 V, 1 h), em H2SO4 (1 mol.L-1) com a adição de Fluoretos advindos de NH4F ou HF, em teores de 0,14 a 1,15 mol.L-1. Não foi possível obter as nanoestruturas de Ta2O5, possivelmente pela limitação das concentrações do ácido base e dos íons Fluoreto em solução. Os resultados indicam que a obtenção de óxidos de Tântalo por anodização é possível e reprodutível. Os óxidos obtidos por diferentes parâmetros eletroquímicos são homogêneos, resistentes à dissolução/corrosão, tornando o sistema Ta/Ta2O5 um promissor substrato para o estudo da osseointegração. Palavras-chave: Biomateriais, Tântalo, Ta2O5, anodização, estabilidade eletroquímica. === Abstract: To be used as orthopedic implants, some materials properties must be analyzed, as corrosion resistance, elastic modulus and bioactive response. Showing good corrosion resistance, the metal Tantalum has great application perspectives. Coating Tantalum with anodic oxides may improve interaction between bone and implant, also increasing the stability of the implant in corporal media. The main objective of this research was to obtain high thermodynamic stability Tantalum oxides by anodic oxidation different methods, potentials and electrolytes. The growth process used potentiostatic (5 and 20 V (1 h)) and potentiodynamic (5 V) methods in H2SO4 or H3PO4 media (both in 1 mol.L-1 concentration). By the proposed methods was possible to obtain a Tantalum oxide layer on the metallic substrate. By XPS analysis the oxide Ta2O5 was detected. SEM images allowed to observe a non-defined morphology, homogeneous and uniform oxide. To compare the stability of the different electrochemical parameters grown oxides, open circuit potential (OCP) tests were made. More noble potentials were presented by the potentiodynamic oxides, probably due to its better chemical kinetics control. Also, more noble potential were observed for the oxides grown in higher potentials (20 V), possibly the superior thickness increases its stability. As far as electrolytes are concerned, the compact and homogeneous oxide structure obtained in Sulfate media enables to measure more noble potentials. In phosphate media, in other hand, the incorporation of phosphates to the oxide during anodization may provoke the formation of by-layer, less stable, Tantalum oxide. The dissolution of Tantalum oxide layers in artificial blood corrosive media at 37 °C by different periods was analyzed by OCP. After immersion, lesser stable OCP values were measured, likely indicating the dissolution of the oxide layers. By scratch test, the anodic oxide was tested and shown highly adhered to the substrate. And by nanoindentation, Ta2O5 presented elastic modulus lower than the substrate. In order to obtain a better substrate for the bone-implant interaction, the growth of high surface area nanostructured Ta2O5 was also performed. Potentiostatic method (20 V, 1 h) was used in H2SO4 (1 mol.L-1) with the addition of Fluoride ions in concentrations between 0,14 and 1,15 mol.L-1, provided by NH4F or HF. The obtaining of Ta2O5 was not succeeded, possibly due to the low concentration of the base acid and Fluoride ions in solution. The results of this research indicate that the growth of anodic oxides on Tantalum is possible and reproducible. Oxides obtained by different methods, electrolytes and potentials are homogeneous, dissolution/corrosion resistant, making the Ta/Ta2O5 a promising substrate for bioactivity and osseointegration studies. Key-words: Biomaterials, Tantalum, Ta2O5, anodization, electrochemical stability.