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UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE
Engenharia Mecânica (24009016025P1)
Educação Presencial
GRAMPOS ORTOPÉDICOS ARQUITETADOS DE LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA TiNiNb: PROJETO, FABRICAÇÃO E TESTES MECÂNICOS
JAILSON PEREIRA DA SILVA JUNIOR
DISSERTAÇÃO
30/08/2023

Grampos ortopédicos são dispositivos médicos utilizados para fixar ossos fraturados enquanto curam. Eles são fabricados de ligas metálicas que tem a capacidade de lembrar sua forma original de modo que ao sofrer uma deformação recuperam o formato imediatamente após o descarregamento mecânico, sendo ainda capazes de manter a aplicação de uma força constante dentro de uma grande faixa de deformação. Os principais tipos de ligas com efeito memória de forma são ligas de níquel-titânio (NiTi). Entretanto, estudos mostram que a liberação de íons de níquel no corpo humano é tóxica e qualquer contato com o corpo pode provocar complicações médicas. Assim, para evitar ou minimizar o contato do níquel com as células do corpo humano, estudos buscam substituir o Ni por algum elemento biocompatível em ligas NiTi. Neste trabalho utilizou-se duas ligas com memória de forma de NiTiNb para desenvolver grampos ortopédicos com diferentes geometrias arquitetadas utilizando as tecnologias de fundição de precisão auxiliada por manufatura aditiva, afim de selecionar a liga e o processo de fabricação mais adequado para o desenvolvimento do mesmo. Os resultados obtidos através do teste preliminar de fundibilidade mostraram que a liga de 38Ti48Ni14Nb (%wt) é mais adequada para essa aplicação pois apresentou temperaturas de transformação próximas a temperatura do corpo humano (Af = 27.6 °C) enquanto a 50Ti4.5Ni7.5Nb apresentou uma Af igual a 66,77°C e também não resistiu aos testes mecânicos. Os resultados de caracterização térmica (DSC) nas diversas regiões dos grampos mostraram homogeneidade, uma vez que as temperaturas de transformação não variaram mais que 13 °C. Esses resultados são confirmados através do ensaio de espectroscopia de dispersão de energia (EDS) que mostram uma constância composicional nas regiões dos grampos com uma variação máxima de 2%. Os resultados de difração de raios-x (DRX) mostraram estruturas martensíticas monoclínicas (B19’), austeníticas (B2), compostos intermetálicos (NiTi2) e a fase βNb. Os resultados dos ensaios mecânicos mostram que os grampos de topologia Diamond e Gyroid apresentaram rigidezes 39% e 27% menores, respectivamente, se comparados ao grampo Denso. A partir disso conclui-se que os grampos de topologia Diamond e Gyroid fabricados com a liga 38Ti48Ni14Nb (%wt) são ideais para a fabricação do grampo ortopédico de LMF, pois os mesmos apresentam superelasticidade a temperatura ambiente e uma menor rigidez comparada ao grampo Denso.

Ligas com memória de forma;Ligas NiTiNb;Grampos ortopédicos;Materiais Arquitetados;Estruturas de treliças
Orthopedic staples are medical devices used to secure fractured bones while they heal. They are made from metal alloys that have the ability to remember their original shape so that they return to that shape immediately after mechanical deformation, while still being able to maintain the application of a constant force within a wide range of deformation. The main types of shape memory alloys are nickeltitanium (NiTi) alloys. However, studies have shown that the release of nickel ions in the human body is toxic, and any contact with the body can lead to medical complications. Therefore, to avoid or minimize nickel contact with human body cells, studies aim to replace Ni with a biocompatible element in NiTi alloys. In this work, two NiTiNb shape memory alloys were used to develop orthopedic staples with different architectured geometries using precision casting aided by additive manufacturing technologies, in order to select the most suitable alloy and manufacturing process for development. The results obtained through preliminary castability testing showed that the 38Ti48Ni14Nb (%wt) alloy is more suitable for this application because it exhibited transformation temperatures close to the human body temperature (Af = 27.6 °C), while the 50Ti4.5Ni7.5Nb exhibited an Af equal to 66.77°C and did not withstand mechanical tests. Thermal characterization results (DSC) in various regions of the staples showed homogeneity, as transformation temperatures varied by no more than 13 °C. These results are confirmed by energy dispersive spectroscopy (EDS) testing, which shows compositional consistency in the staple regions with a maximum variation of 2%. X-ray diffraction (XRD) results showed martensitic monoclinic structures (B19'), austenitic (B2) structures, intermetallic compounds (NiTi2), and the βNb phase. Mechanical test results showed that Diamond and Gyroid topology staples had 39% and 27% lower stiffness, respectively, compared to the Dense staple. From this, it is concluded that Diamond and Gyroid topology staples manufactured with the 38Ti48Ni14Nb (%wt) alloy are ideal for the production of shape memory orthopedic staples, as they exhibit superelasticity at room temperature and lower stiffness compared to the Dense staple.
Shape memory alloys;NiTiNb alloys;Orthopedic staples;Architectured materials;Truss structures
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PORTUGUES
UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE
O trabalho possui divulgação autorizada
Dissertação - Jailson Pereira da Silva Junior.pdf

Contexto

SISTEMAS TERMOMECÂNICOS
ANÁLISE E PROJETO DE SISTEMAS TERMOMECÂNICOS
NISMART - NUCLEO INTERDISCIPLINAR DE DESENVOLVIMENTO DE METAIS INTELIGENTES PARA APLICAÇÕES AVANÇADAS DE ENGENHARIA (FAPESQ-PB, TO No. 044/2023)

Banca Examinadora

CARLOS JOSE DE ARAUJO
DOCENTE - PERMANENTE
Sim
Nome Categoria
ESTEPHANIE NOBRE DANTAS GRASSI Pós-Doc
CARLOS JOSE DE ARAUJO Docente - PERMANENTE
JACKSON DE BRITO SIMOES Participante Externo
WANDERLEY FERREIRA DE AMORIM JUNIOR Docente - PERMANENTE

Financiadores

Financiador - Programa Fomento Número de Meses
FUNDAÇÃO DE APOIO À PESQUISA DO ESTADO DA PARAÍBA - BOLSAS DE MESTRADO E DOUTORADO ACADÊMICO 24

Vínculo

CLT
Empresa Privada
Ensino e Pesquisa
Sim
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