ALEXSANDER LUIZ GOLIN ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE FERRAMENTAS DE CORTE COM DIFERENTES REVESTIMENTOS E SEU EFEITO SOBRE A GERAÇÃO DE CALOR NO OSSO

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1 ALEXSANDER LUIZ GOLIN ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE FERRAMENTAS DE CORTE COM DIFERENTES REVESTIMENTOS E SEU EFEITO SOBRE A GERAÇÃO DE CALOR NO OSSO CURITIBA 2005

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3 ALEXSANDER LUIZ GOLIN ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE FERRAMENTAS DE CORTE COM DIFERENTES REVESTIMENTOS E SEU EFEITO SOBRE A GERAÇÃO DE CALOR NO OSSO Dissertação apresentada como requisito parcial a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia da Pontifícia Universidade Católica do Paraná. Orientadora: Prof a. Karin Soldatelli Borsato, Dr a. Eng a. Co-orientador: Prof. Ricardo Diego Torres, PhD CURITIBA 2005

4 ALEXSANDER LUIZ GOLIN ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE FERRAMENTAS DE CORTE COM DIFERENTES REVESTIMENTOS E SEU EFEITO SOBRE A GERAÇÃO DE CALOR NO OSSO Dissertação apresentada como requisito parcial a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica na Área de Fabricação da Pontifícia Universidade Católica do Paraná, pela comissão formada pelos professores: Orientadora: Prof a. Karin Soldatelli Borsato, Dr a. Eng a. Departamento de Engenharia Mecânica (PUCPR) Prof. Ricardo Diego Torres, PhD Departamento de Engenharia Mecânica (PUCPR) Prof. Ramon Sigifredo Cortes Paredes, Dr. Eng. Departamento de Engenharia Mecânica (UFPR) Prof a. Marilia Compagnoni Martins, Dr a. Departamento de Estomatologia (UFPR) Curitiba, 30 de setembro de 2005.

5 Nunca ande pelo caminho traçado, pois ele conduz somente até onde os outros foram Alexandre Graham Bell

6 Dedico este trabalho aos meus pais Gilmar e Flora, a minha noiva Mayra, a Tamia e Yuji pelo apoio e incentivo.

7 AGRADECIMENTOS Agradeço aos meus pais, Gilmar e Flora pelos ensinamentos, carinho dedicado e incentivo em todas as decisões que de alguma forma me direcionaram a chegar até esta nova conquista. Agradeço à minha noiva, Mayra, por toda a compreensão, carinho, enorme dedicação e incentivo durante todo o desenvolvimento dessa dissertação. À Tamia e Yuji, meus futuros sogros, pelas orientações, apoio e estímulo contínuo ao longo da elaboração deste trabalho. À professora Karin Soldatelli Borsato pela colaboração e orientação durante todo o desenvolvimento e execução desta dissertação. Ao Dr. Geninho Thomé, pela confiança depositada, orientações durante a elaboração e incentivo para que este mestrado pudesse ser realizado. Ao Professor Ricardo Diego Torres pelas inúmeras sugestões e co-orientação deste trabalho. A toda a equipe da Neodent Implante Osteointegrável, pelo fornecimento de materiais, equipamentos, sugestões e propostas para melhorias deste projeto de pesquisa. Aos colegas do mestrado, em especial ao Paulo Tancredo de Campos pela amizade. A todas as instituições, professores e colaboradores envolvidos nas linhas de pesquisa referentes a este trabalho que, de alguma forma, direta ou indiretamente, apoiaram durante todas as pesquisas, realização de ensaios e experimentos para a execução deste trabalho.

8 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS... 1 LISTA DE TABELAS... 5 LISTA DE GRÁFICOS... 6 RESUMO ABSTRACT CAPÍTULO INTRODUÇÃO Caracterização do problema Objetivo Objetivo geral Objetivos específicos Estrutura 16 CAPÍTULO REVISÃO DE LITERATURA Panorama nacional do mercado de implantes Definições e características sobre os aços inoxidáveis Sistemas de classificação dos aços inoxidáveis Influência do teor de carbono Influência dos elementos de liga Processos para obtenção dos aços inoxidáveis Aços inoxidáveis martensíticos Definições para os biomateriais Biocompatibilidade 28

9 2.7 Conceitos sobre osseointegração Características do osso Classificação da densidade óssea Fatores para redução do calor durante o preparo da osteotomia Calor gerado internamente no osso Preparo do leito ósseo Rotação e pressão das brocas Otimização do uso das brocas Os revestimentos PVD (physical vapor deposition) Desgaste 41 CAPÍTULO MATERIAIS E MÉTODOS Seleção das amostras Propriedades mecânicas e caracterização dos grupos Medição das espessuras de camada dos revestimentos Análise da composição química Ensaios de metalografia Ensaios mecânicos antes e após as utilizações Medição da massa das amostras Determinação da rugosidade das amostras Avaliação da integridade da afiação das amostras Acompanhamento da geração de calor no osso: simulação das osteotomias Dispositivo de fixação do osso Programa CNC e mecanismo de perfuração Preparo do osso e sistema de leitura da temperatura Procedimentos de corte Software e registro de dados CAPÍTULO

10 RESULTADOS Propriedades mecânicas e caracterização das amostras Avaliação das espessuras de camada dos revestimentos Análise da composição química dos revestimentos Análise da composição química do substrato Caracterizações microestruturais Ensaios mecânicos antes e após as utilizações das amostras Medição da massa Determinação da rugosidade Avaliação da integridade da afiação Acompanhamento da geração de calor no osso Leitura das temperaturas geradas durante as osteotomias Avaliação do comportamento das temperaturas de cada grupo Análise comparativa entre os três grupos avaliados CAPÍTULO CONCLUSÕES CAPÍTULO SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICE 01 Publicações APÊNDICE 02 Tabela geral de medições de rugosidade APÊNDICE 03 Tabela geral de medições de massa APÊNDICE 04 Avaliações da integridade da afiação das brocas APÊNDICE 05 Temperaturas geradas durante as osteotomias

11 1 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Procedimento para a osteotomia durante o ato cirúrgico Figura 2 Microestrutura do aço inoxidável martensítico [12] Figura 3 Microestrutura do aço inoxidável ferrítico [12] Figura 4 Microestrutura do aço inoxidável austenítico [12] Figura 5 Fluxograma de produção do aço inoxidável [26] Figura 6 Interface osso-implante (NOJIMA, 2004) Figura 7 Diferentes densidades ósseas mostrando a diferença entre o osso cortical e o trabecular Figura 8 Densidades ósseas conforme classificação de Misch [3] Figura 9 Zona mortificada do osso próximo ao implante [3] Figura 10 Preparação da osteotomia utilizando irrigação [14] Figura 11 Seqüência de brocas geralmente utilizadas para a instalação do implante de acordo com a densidade óssea [3] Figura 12 Formação da descarga brilhante (bainha de plasma) na nitretação [22] Figura 13 Aplicações dos revestimentos TiN (a) e WC/C (b) Figura 14 Amostras dos três grupos utilizados no trabalho. Grupo I - Brocas somente afiadas, Grupo II Brocas com revestimento TiN e Grupo III Brocas com revestimento WC/C Figura 15 Microscópio Eletrônico de Varredura MEV da UFSC Figura 16 Avaliação em MEV da região afiada das amostras do grupo I Figura 17 Equipamento utilizado nos ensaios de rugosidade (a) e resultado de avaliação da superfície da amostra 01 do grupo II Figura 18 Detalhe da osteotomia em costela bovina mostrando o posicionamento dos termopares Figura 19 Dispositivo com os equipamentos e termopares acoplados mostrando a realização de ensaios piloto (a), (b) e (c) Figura 20 Aparato para os experimentos fixado a fresadora CNC Figura 21 Esquema que define o layout de perfurações nos espécimes ósseos Figura 22 Disposição dos dois termopares fixados ao lado da cada região a ser perfurada Figura 23 Perfurações iniciais realizadas para a fixação dos termopares (a) e posicionamento dos pinos guias do osso no dispositivo (b)

12 2 Figura 24 Distribuição dos termopares e sistema de fixação do espécime ósseo no dispositivo Figura 25 Sistema de aquisição dos dados de temperatura e software utilizado durante as simulações das osteotomias Figura 26 Detalhe da região revestida das brocas do grupo TiN Figura 27 Detalhe da região revestida das brocas do grupo WC/C Figura 28 Análise qualitativa em MEV da composição química superficial das brocas do grupo I, sem revestimento Figura 29 Análise qualitativa em MEV da composição química superficial das brocas do grupo II, com revestimento TiN Figura 30 Análise qualitativa em MEV da composição química superficial das brocas do grupo III, com revestimento WC/C Figura 31 Análise qualitativa em MEV da composição química do substrato das brocas (a) grupo I, sem revestimento, (b) grupo II com revestimento TiN e (c) grupo III com revestimento WC/C Figura 32 Microestrutura apresentando estrutura martensítica com carbetos precipitados. Aumento de 1250 vezes Figura 33 Microestrutura apresentando estrutura martensítica com carbetos precipitados. Aumento de 2500 vezes Figura 34 Avaliação da integridade da afiação da amostra 01 grupo I, para a broca de diâmetro 2,0mm (a) e 3,0mm (c) antes do uso e para a broca de diâmetro 2,0mm (b) e 3,0mm (d) após as 20 perfurações Figura 35 Avaliação da integridade da afiação da amostra 01 grupo II, para a broca de diâmetro 2,0mm (a) e 3,0mm (c) antes do uso e para a broca de diâmetro 2,0mm (b) e 3,0mm (d) após as 20 perfurações Figura 36 Avaliação da integridade da afiação da amostra 01 grupo III, para a broca de diâmetro 2,0mm (a) e 3,0mm (c) antes do uso e para a broca de diâmetro 2,0mm (b) e 3,0mm (d) após as 20 perfurações Figura 37 Avaliação da integridade da afiação da amostra 01 grupo I, para a broca de diâmetro 2,0mm (a) e 3,0mm (c) antes do uso e para a broca de diâmetro 2,0mm (b) e 3,0mm (d) após as 20 perfurações Figura 38 Avaliação da integridade da afiação da amostra 02 grupo I, para a broca de diâmetro 2,0mm (a) e 3,0mm (c) antes do uso e para a broca de diâmetro 2,0mm (b) e 3,0mm (d) após as 20 perfurações... 89

13 3 Figura 39 Avaliação da integridade da afiação da amostra 03 grupo I, para a broca de diâmetro 2,0mm (a) e 3,0mm (c) antes do uso e para a broca de diâmetro 2,0mm (b) e 3,0mm (d) após as 20 perfurações Figura 40 Avaliação da integridade da afiação da amostra 04 grupo I, para a broca de diâmetro 2,0mm (a) e 3,0mm (c) antes do uso e para a broca de diâmetro 2,0mm (b) e 3,0mm (d) após as 20 perfurações Figura 41 Avaliação da integridade da afiação da amostra 05 grupo I, para a broca de diâmetro 2,0mm (a) e 3,0mm (c) antes do uso e para a broca de diâmetro 2,0mm (b) e 3,0mm (d) após as 20 perfurações Figura 42 Avaliação da integridade da afiação da amostra 01 grupo II, para a broca de diâmetro 2,0mm (a) e 3,0mm (c) antes do uso e para a broca de diâmetro 2,0mm (b) e 3,0mm (d) após as 20 perfurações Figura 43 Avaliação da integridade da afiação da amostra 02 grupo II, para a broca de diâmetro 2,0mm (a) e 3,0mm (c) antes do uso e para a broca de diâmetro 2,0mm (b) e 3,0mm (d) após as 20 perfurações Figura 44 Avaliação da integridade da afiação da amostra 03 grupo II, para a broca de diâmetro 2,0mm (a) e 3,0mm (c) antes do uso e para a broca de diâmetro 2,0mm (b) e 3,0mm (d) após as 20 perfurações Figura 45 Avaliação da integridade da afiação da amostra 04 grupo II, para a broca de diâmetro 2,0mm (a) e 3,0mm (c) antes do uso e para a broca de diâmetro 2,0mm (b) e 3,0mm (d) após as 20 perfurações Figura 46 Avaliação da integridade da afiação da amostra 05 grupo II, para a broca de diâmetro 2,0mm (a) e 3,0mm (c) antes do uso e para a broca de diâmetro 2,0mm (b) e 3,0mm (d) após as 20 perfurações Figura 47 Avaliação da integridade da afiação da amostra 01 grupo III, para a broca de diâmetro 2,0mm (a) e 3,0mm (c) antes do uso e para a broca de diâmetro 2,0mm (b) e 3,0mm (d) após as 20 perfurações Figura 48 Avaliação da integridade da afiação da amostra 02 grupo III, para a broca de diâmetro 2,0mm (a) e 3,0mm (c) antes do uso e para a broca de diâmetro 2,0mm (b) e 3,0mm (d) após as 20 perfurações Figura 49 Avaliação da integridade da afiação da amostra 03 grupo III, para a broca de diâmetro 2,0mm (a) e 3,0mm (c) antes do uso e para a broca de diâmetro 2,0mm (b) e 3,0mm (d) após as 20 perfurações

14 4 Figura 50 Avaliação da integridade da afiação da amostra 04 grupo III, para a broca de diâmetro 2,0mm (a) e 3,0mm (c) antes do uso e para a broca de diâmetro 2,0mm (b) e 3,0mm (d) após as 20 perfurações Figura 51 Avaliação da integridade da afiação da amostra 05 grupo III, para a broca de diâmetro 2,0mm (a) e 3,0mm (c) antes do uso e para a broca de diâmetro 2,0mm (b) e 3,0mm (d) após as 20 perfurações

15 5 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Sistema de classificação dos aços inoxidáveis [12] Tabela 2 Composição química típica do aço inoxidável AISI 420 [17] Tabela 3 Composição química típica do aço inoxidável AISI 410 [17] Tabela 4 Composição química típica do aço inoxidável AISI 420F [17] Tabela 5 Composição química típica do aço inoxidável AISI 440C [17] Tabela 6 Classificação da densidade óssea proposta por Misch [3] Tabela 7 Fatores Essenciais para a minimização do calor gerado durante o preparo da osteotomia [3] Tabela 8 Propriedades dos revestimentos mais comuns em comparação com alguns aços Tabela 9 Espessura da camada revestida das brocas dos grupos TiN e WC/C Tabela 10 Análise quantitativa em Raio-X da composição química superficial das brocas do grupo I, sem revestimento Tabela 11 Análise quantitativa em Raio-X da composição química superficial das brocas do grupo II, com revestimento TiN Tabela 12 Análise quantitativa em Raio-X da composição química superficial das brocas do grupo III, com revestimento WC/C Tabela 13 Análise quantitativa em Raio-X da composição química do substrato das brocas dos grupos I, II e III... 63

16 6 LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 1 Perda de massa das brocas medida antes e após as utilizações Gráfico 2 Variação da rugosidade média analisada nas 5 amostras de cada grupo antes e após as 20 perfurações Gráfico 3 Registro das oscilações de temperatura ocorridas durante a primeira e a última perfuração das brocas da amostra 04 do grupo I, sem revestimento Gráfico 4 Registro da máxima e mínima temperatura ocorrida na primeira e na última perfuração das brocas da amostra 04 do grupo I, sem revestimento Gráfico 5 Comportamento de todas as temperaturas mensuradas durante as 20 perfurações das brocas da amostra 04 do grupo I, sem revestimento Gráfico 6 Registro das oscilações de temperatura ocorridas durante a primeira e a última perfuração das brocas da amostra 04 do grupo II, revestimento TiN Gráfico 7 Registro da máxima e mínima temperatura ocorrida na primeira e na última perfuração das brocas da amostra 04 do grupo II, revestimento TiN Gráfico 8 Comportamento de todas as temperaturas mensuradas durante as 20 perfurações das brocas da amostra 04 do grupo II, revestimento TiN Gráfico 9 Registro das oscilações de temperatura ocorridas durante a primeira e a última perfuração das brocas da amostra 04 do grupo III, revestimento WC/C Gráfico 10 Registro da máxima e mínima temperatura ocorrida na primeira e na última perfuração das brocas da amostra 04 do grupo III, revestimento WC/C Gráfico 11 Comportamento de todas as temperaturas mensuradas durante as 20 perfurações das brocas da amostra 04 do grupo III, revestimento WC/C Gráfico 12 Temperaturas máximas e mínimas para as amostras do grupo I Gráfico 13 Temperaturas máximas e mínimas para as amostras do grupo II Gráfico 14 Temperaturas máximas e mínimas para as amostras do grupo III Gráfico 15 Análise comparativa entre os três grupos de brocas utilizadas Gráfico 16 Registro das oscilações de temperatura ocorridas durante a primeira e a última perfuração das brocas da amostra 01 do grupo I, sem revestimento Gráfico 17 Registro da máxima e mínima temperatura ocorrida na primeira e na última perfuração das brocas da amostra 01 do grupo I, sem revestimento Gráfico 18 Comportamento de todas as temperaturas mensuradas durante as 20 perfurações das brocas da amostra 01 do grupo I, sem revestimento

17 7 Gráfico 19 Registro das oscilações de temperatura ocorridas durante a primeira e a última perfuração das brocas da amostra 02 do grupo I, sem revestimento Gráfico 20 Registro da máxima e mínima temperatura ocorrida na primeira e na última perfuração das brocas da amostra 02 do grupo I, sem revestimento Gráfico 21 Comportamento de todas as temperaturas mensuradas durante as 20 perfurações das brocas da amostra 02 do grupo I, sem revestimento Gráfico 22 Registro das oscilações de temperatura ocorridas durante a primeira e a última perfuração das brocas da amostra 03 do grupo I, sem revestimento Gráfico 23 Registro da máxima e mínima temperatura ocorrida na primeira e na última perfuração das brocas da amostra 03 do grupo I, sem revestimento Gráfico 24 Comportamento de todas as temperaturas mensuradas durante as 20 perfurações das brocas da amostra 03 do grupo I, sem revestimento Gráfico 25 Registro das oscilações de temperatura ocorridas durante a primeira e a última perfuração das brocas da amostra 04 do grupo I, sem revestimento Gráfico 26 Registro da máxima e mínima temperatura ocorrida na primeira e na última perfuração das brocas da amostra 04 do grupo I, sem revestimento Gráfico 27 Comportamento de todas as temperaturas mensuradas durante as 20 perfurações das brocas da amostra 04 do grupo I, sem revestimento Gráfico 28 Registro das oscilações de temperatura ocorridas durante a primeira e a última perfuração das brocas da amostra 05 do grupo I, sem revestimento Gráfico 29 Registro da máxima e mínima temperatura ocorrida na primeira e na última perfuração das brocas da amostra 05 do grupo I, sem revestimento Gráfico 30 Comportamento de todas as temperaturas mensuradas durante as 20 perfurações das brocas da amostra 05 do grupo I, sem revestimento Gráfico 31 Registro das oscilações de temperatura ocorridas durante a primeira e a última perfuração das brocas da amostra 01 do grupo II, revestimento TiN Gráfico 32 Registro da máxima e mínima temperatura ocorrida na primeira e na última perfuração das brocas da amostra 01 do grupo II, revestimento TiN Gráfico 33 Comportamento de todas as temperaturas mensuradas durante as 20 perfurações das brocas da amostra 01 do grupo II, revestimento TiN Gráfico 34 Registro das oscilações de temperatura ocorridas durante a primeira e a última perfuração das brocas da amostra 02 do grupo II, revestimento TiN Gráfico 35 Registro da máxima e mínima temperatura ocorrida na primeira e na última perfuração das brocas da amostra 02 do grupo II, revestimento TiN

18 8 Gráfico 36 Comportamento de todas as temperaturas mensuradas durante as 20 perfurações das brocas da amostra 02 do grupo II, revestimento TiN Gráfico 37 Registro das oscilações de temperatura ocorridas durante a primeira e a última perfuração das brocas da amostra 03 do grupo II, revestimento TiN Gráfico 38 Registro da máxima e mínima temperatura ocorrida na primeira e na última perfuração das brocas da amostra 03 do grupo II, revestimento TiN Gráfico 39 Comportamento de todas as temperaturas mensuradas durante as 20 perfurações das brocas da amostra 03 do grupo II, revestimento TiN Gráfico 40 Registro das oscilações de temperatura ocorridas durante a primeira e a última perfuração das brocas da amostra 04 do grupo II, revestimento TiN Gráfico 41 Registro da máxima e mínima temperatura ocorrida na primeira e na última perfuração das brocas da amostra 04 do grupo II, revestimento TiN Gráfico 42 Comportamento de todas as temperaturas mensuradas durante as 20 perfurações das brocas da amostra 04 do grupo II, revestimento TiN Gráfico 43 Registro das oscilações de temperatura ocorridas durante a primeira e a última perfuração das brocas da amostra 05 do grupo II, revestimento TiN Gráfico 44 Registro da máxima e mínima temperatura ocorrida na primeira e na última perfuração das brocas da amostra 05 do grupo II, revestimento TiN Gráfico 45 Comportamento de todas as temperaturas mensuradas durante as 20 perfurações das brocas da amostra 05 do grupo II, revestimento TiN Gráfico 46 Registro das oscilações de temperatura ocorridas durante a primeira e a última perfuração das brocas da amostra 01 do grupo III, revestimento WC/C Gráfico 47 Registro da máxima e mínima temperatura ocorrida na primeira e na última perfuração das brocas da amostra 01 do grupo III, revestimento WC/C Gráfico 48 Comportamento de todas as temperaturas mensuradas durante as 20 perfurações das brocas da amostra 01 do grupo III, revestimento WC/C Gráfico 49 Registro das oscilações de temperatura ocorridas durante a primeira e a última perfuração das brocas da amostra 02 do grupo III, revestimento WC/C Gráfico 50 Registro da máxima e mínima temperatura ocorrida na primeira e na última perfuração das brocas da amostra 02 do grupo III, revestimento WC/C Gráfico 51 Comportamento de todas as temperaturas mensuradas durante as 20 perfurações das brocas da amostra 02 do grupo III, revestimento WC/C

19 9 Gráfico 52 Registro das oscilações de temperatura ocorridas durante a primeira e a última perfuração das brocas da amostra 03 do grupo III, revestimento WC/C Gráfico 53 Registro da máxima e mínima temperatura ocorrida na primeira e na última perfuração das brocas da amostra 03 do grupo III, revestimento WC/C Gráfico 54 Comportamento de todas as temperaturas mensuradas durante as 20 perfurações das brocas da amostra 03 do grupo III, revestimento WC/C Gráfico 55 Registro das oscilações de temperatura ocorridas durante a primeira e a última perfuração das brocas da amostra 04 do grupo III, revestimento WC/C Gráfico 56 Registro da máxima e mínima temperatura ocorrida na primeira e na última perfuração das brocas da amostra 04 do grupo III, revestimento WC/C Gráfico 57 Comportamento de todas as temperaturas mensuradas durante as 20 perfurações das brocas da amostra 04 do grupo III, revestimento WC/C Gráfico 58 Registro das oscilações de temperatura ocorridas durante a primeira e a última perfuração das brocas da amostra 05 do grupo III, revestimento WC/C Gráfico 59 Registro da máxima e mínima temperatura ocorrida na primeira e na última perfuração das brocas da amostra 05 do grupo III, revestimento WC/C Gráfico 60 Comportamento de todas as temperaturas mensuradas durante as 20 perfurações das brocas da amostra 05 do grupo III, revestimento WC/C

20 10 RESUMO Com o desenvolvimento de novas tecnologias nas áreas da bioengenharia, a ampliação dos conhecimentos voltados para novos materiais e novos processos tem sido bastante necessária. Para qualquer aplicação de determinado biomaterial, seja ele implantado ou tenha simplesmente servido como ferramenta para algum caso clínico, este deve ser cuidadosamente avaliado quanto às suas propriedades químicas, mecânicas e características específicas para cada aplicação. Para a utilização em instrumentais cirúrgicos cortantes como as brocas, os aços inoxidáveis vêm sendo cada vez mais estudados e aprimorados para que permitam compatibilidade adequada com o corpo humano. Na implantodontia, o processo de osseointegração depende de diversos fatores que envolvem características mecânicas e biológicas relacionadas diretamente aos procedimentos realizados durante a preparação da cavidade óssea que receberá o implante dentário. Dentre esses fatores pode ser citada a densidade óssea, a rotação da broca durante a perfuração, a estabilidade primária do implante já instalado, o calor gerado durante a osteotomia, entre outros. O calor gerado durante a osteotomia deve ser adequadamente controlado para que não ocorram temperaturas superiores a 47ºC [13], que podem comprometer todo o processo de osseointegração. A análise da geração de calor internamente no osso e o comportamento de brocas utilizadas na implantodontia são, portanto, fatores de grande importância para que se identifiquem pontos relacionados ao sucesso da osseointegração na instalação de implantes dentários. Realizaram-se análises comparativas entre três diferentes grupos de brocas como segue: I brocas sem revestimento; II brocas com revestimento TiN e III - brocas com revestimento WC/C. Avaliaram-se os índices de desgaste em massa, o aumento da rugosidade e as características de afiação, sendo que todas as avaliações foram realizadas antes de qualquer solicitação mecânica e também, ao final de 20 perfurações executadas por cada broca simulando osteotomias cirúrgicas.

21 11 Como propriedades mecânicas, foram avaliadas as espessuras dos revestimentos aplicados em dois grupos de brocas, analisadas as composições químicas dos filmes e do substrato e também, caracterização microestrutural do substrato das amostras.

22 12 ABSTRACT With the development of new technologies in the areas of bioengineering, the magnifying of the knowledge directed toward new materials and new processes have been sufficiently necessary. For any determined application of biomaterial, either implanted it or simply served as tool for some clinical case, it must be carefully evaluated with chemical and mechanical properties and specific characteristic for each application. To be used in cutting surgical instruments like drills, the stainless steel is been studied and improved to allow the adjustment and compatibility with the human body. In the implantology, the osseointegration process depends on factors that are involved with biological and mechanical characteristics. They are related directly to the procedures carried through during the preparation of the osseous cavity that will receive the dental implantation. Amongst these factors the density osseous can be cited, the rotation of the drill during the perforation, the primary stability of the implantation already installed, the heat generated during the osteotomy and others. The heat generated during the osteotomy must be adequately controlled to be not occurred in temperatures higher than 47ºC [13], because they can compromise all process of osseointegration. The analysis of internal heat generation in the bone and the behavior of drills used in the implantology are factors of great importance to identify points related to the success of the osseointegration in the installation of dental implantations. Comparative analysis among three different groups of drills: I drills no coated; II drills TiN coated and III drills WC/C coated. They had been become full filled evaluating the indices of wear in mass, the increase of the roughness and the characteristics of sharpening. All different groups had been evaluated before any mechanics request and also, to the end of 20 perforations carried through for each drill simulating surgical osteotomies. As mechanical properties, the thicknesses of coats applied in two groups of drills, the chemical compositions of the films and the substratum and microestrutural characterization of the substratum of the samples had been analyzed and evaluated.

23 13 Capítulo 1 INTRODUÇÃO Com o advento de novos materiais, novas tecnologias de usinagem e também processos de fabricação na área da bioengenharia, se tem buscado uma infinidade de materiais biocompatíveis ao corpo humano e com características específicas à área. Para estas aplicações as propriedades físicas, mecânicas, químicas e elétricas dos componentes básicos dos materiais devem sempre ser totalmente avaliadas em qualquer aplicação do biomaterial, seja ele implantado ou tenha simplesmente servido como ferramenta para a instrumentação de algum caso clínico. Isto porque fornecem informações essenciais sobre as análises biomecânica e biológica inter-relacionadas à função do material [3]. Devido à ampla variedade das propriedades dos biomateriais, demonstradas pelas classes de materiais disponíveis, não é aconselhável manufaturar qualquer novo design de implante ou instrumento cirúrgico sem que se faça uma análise biomecânica aprofundada da matéria prima a ser aplicada. Para a aplicação de instrumentais cirúrgicos cortantes como brocas, raspadores, lâminas entre outros, os aços inoxidáveis martensíticos tem sido, os mais utilizados, pois proporcionam durezas adequadas e resistência à corrosão satisfatória quando comparados a outros materiais como aços inoxidáveis ferrítico e austenítico ou aços ao carbono. Com esse intuito os aços inoxidáveis vêm sendo cada vez mais estudados, aprimorados e aplicados em situações cirúrgicas que envolvem a compatibilidade com o corpo humano. O processo de osseointegração depende de diversas condições que envolvem características mecânicas e biológicas relacionadas diretamente aos procedimentos realizados durante a preparação da cavidade óssea. No entanto, essas condições são bastante variáveis, envolvendo a densidade do osso que está sendo preparado, a rotação da broca utilizada no procedimento de perfuração, o

24 14 calor gerado durante a osteotomia, a estabilidade primária do implante instalado, entre outros [1]. No que diz respeito ao calor gerado durante a perfuração, existe uma grande discussão sobre o sucesso da instalação de implantes dentários [2]. Vários fatores predominantes podem levar ao superaquecimento do tecido ósseo, entre eles: profundidade da osteotomia (nome dado ao procedimento de perfuração do osso para a instalação dos implantes dentários), técnicas de refrigeração, propriedades mecânicas da matéria-prima e geometria da broca que refletem diretamente na durabilidade e eficiência da ferramenta. O trauma excessivo do osso devido ao calor gerado durante a cirurgia é considerado um importante fator de falha em implantes devido às características térmicas, vasculares e mecânicas que contribuem para a formação de tecido necrótico, afetando assim a maturação do tecido na interface osso-implante [1]. A geração de calor durante a perfuração do tecido ósseo é um dos fatores de grande influência no bom desenvolvimento da osseointegração [3]. 1.1 Caracterização do problema Durante a preparação da cavidade óssea que posteriormente receberá o implante dentário, uma parte da energia não utilizada no processo de corte é transformada em calor devido ao atrito gerado entre a broca e o tecido ósseo. Esse aquecimento, se não for adequadamente controlado, pode vir a comprometer todo um procedimento de aquisição da osseointegração, resultando em falha no processo de instalação de implantes. Estudos revelam que, se o osso for aquecido a uma temperatura de 47ºC [13] durante 1 minuto, pode haver necrose do tecido ósseo, impedindo que a osseointegração do implante possa ocorrer. Isso faz com que a avaliação da performance das brocas utilizadas na implantodontia e os fatores que estão direta ou indiretamente relacionados ao sucesso da osseointegração na instalação dos implantes dentários sejam de suma importância para garantir a confiabilidade exigida pelos profissionais da área.

25 Objetivo Objetivo geral Analisar, sob condições que simulam a instalação de implantes dentários, o acompanhamento da geração de calor no osso, eficiência de corte, durabilidade e desgaste de brocas utilizadas em procedimentos cirúrgicos odontológicos convencionais. Estes fatores afetam diretamente a preparação do leito ósseo (local receptor do implante dentário), pois são características determinantes para o sucesso da osseointegração Objetivos específicos Avaliar a performance destas brocas em três diferentes grupos, como segue: Grupo I Brocas somente afiadas e com tratamento superficial de passivação, conforme sugeridas comercialmente. Grupo II Brocas afiadas e com aplicação de filme em Nitreto de Titânio (TiN) Grupo III Brocas afiadas e com aplicação de filme em Carboneto de Tungstênio com matriz de Carbono (WC/C). Comparar quantitativamente os índices de desgaste das amostras de cada grupo em relação à perda de massa e o conseqüente aumento da rugosidade após as utilizações. Definir através de microscopia eletrônica de varredura (MEV), as características de afiação das amostras antes de qualquer solicitação mecânica e, caracterizar o desgaste e possíveis danos ocasionados ao final das utilizações. Avaliar, nos grupos com aplicação de revestimentos, a espessura e composição química dos filmes. Avaliar a composição química do substrato das brocas para verificação da homogeneidade entre os grupos. Caracterizar as microestruturas do substrato das amostras. Para possibilitar as análises comparativas dos três grupos antes e após as utilizações das brocas, realizar simulações de osteotomias cirúrgicas in vitro em

26 16 ossos de costela bovina, submetendo-as a diversas perfurações com rotação e avanços controlados. Contra-ângulo Broca Osso Figura 1 Procedimento para a osteotomia durante o ato cirúrgico. 1.3 Estrutura A presente dissertação está estruturada da seguinte forma: No primeiro capítulo tem-se a introdução, a caracterização do problema que influenciou esta pesquisa, a descrição dos objetivos e a estrutura do trabalho. O capítulo 2 apresenta uma revisão de literatura que está dividida em diversos tópicos e relata os vários assuntos abordados durante o trabalho. No terceiro capítulo são descritas as metodologias utilizadas bem como os materiais necessários para o trabalho. Ele está dividido em partes que esclarecem como foram realizadas a seleção das amostras, a determinação das propriedades mecânicas e caracterização dos três grupos de brocas, os ensaios realizados antes e após as simulações de osteotomias e, além disso, realiza o acompanhamento da geração de calor internamente nos espécimes ósseos. No capítulo 4 são descritos os resultados obtidos durante a execução e acompanhamento dos experimentos. E finalmente, são expostos no capítulo quinto e sexto respectivamente, as conclusões da presente dissertação e recomendações para futuros trabalhos.

27 17 Capítulo 2 REVISÃO DE LITERATURA 2.1 Panorama nacional do mercado de implantes Segundo estimativas americanas para 1996, o mercado brasileiro de equipamentos médicos foi estimado em U$ milhões. Deste total, 34,5% ou U$ 421 milhões se referiam aos produtos ortopédicos ou de reabilitação (implantes ortopédicos e odontológicos, dentes artificiais e dentaduras, peças e partes artificiais para o corpo humano, marca passos e outros artefatos de auxílio para pessoas incapacitadas). Se, de forma conservadora, aceitarmos um crescimento anual de 10%, chegaremos este ano a US$ 616 milhões [11]. A participação da indústria brasileira neste mercado parece ser ainda muito pequena, o que nos deveria encher de otimismo para o futuro, já que os investimentos a fazer neste segmento teriam seu retorno garantido pela enorme demanda reprimida ou mal atendida. As responsabilidades no incentivo a este desenvolvimento terão de ser repartidas entre as autoridades governamentais do Ministério da Saúde e a iniciativa privada, por exemplo, através dos editais da FINEP. Entretanto, é necessário que se tome consciência das reais necessidades de matérias primas adequadas para a fabricação e oferta segura de implantes e utensílios ortopédicos nacionalmente. Com seus quase 185 milhões de habitantes (estimativa IBGE agosto-2005), o Brasil representa por si só, um vasto mercado para implantes ortopédicos e odontológicos, que ainda é timidamente atendido pela indústria nacional. Considerando as características intrínsecas dos implantes, o baixo custo da mão de obra nacional deveria ser uma importante alavanca para a competitividade nas exportações [11].

28 Definições e características sobre os aços inoxidáveis Define-se como aço inoxidável, o grupo de ligas ferrosas resistentes à oxidação e corrosão, que contenham um teor mínimo de 11% de cromo [15]. A resistência à oxidação e corrosão do aço inoxidável se deve principalmente a presença do cromo, que a partir de um determinado valor e em contato com o oxigênio, permite a formação de uma película finíssima de óxido de cromo sobre a superfície do aço, que é impermeável e insolúvel nos meios corrosivos usuais. A descoberta dos aços inoxidáveis ocorreu em 1912, quando o inglês Harry Brearly, estudava uma liga Fe-Cr (13%). Justamente quando tentava fazer algumas observações metalográficas verificou que a liga fabricada resistia a maior parte dos reagentes que se utilizavam na época em metalografia. E foi Brearly mesmo que deu o nome à liga, chamando-a de "stainless steel" que traduzindo quer dizer "aço que não mancha". Um ano mais tarde na Alemanha, Eduard Maurer, que estudava uma liga Fe- Cr que continha além dos elementos da liga de Brearly cerca de 8% de Ni, como resultado observou que a liga resistiu vários meses a vapores agressivos do laboratório no qual trabalhava. Passados mais de 70 anos, hoje se sabe que os aços descobertos por eles eram os nossos conhecidos AISI 420 (martensítico) e o AISI 302 (austenítico) respectivamente [12]. Atualmente, existe uma série de ligas Fe-Cr-Ni que serão descritas a seguir: Sistemas de classificação dos aços inoxidáveis Os aços inoxidáveis podem ser classificados de forma simplificada em grupos de acordo com a microestrutura básica formada. Microestrutura Tabela 1 Sistema de classificação dos aços inoxidáveis [12]. Capacidade de ser tratado termicamente Elementos de liga básicos Série Martensítica Endurecível Cromo 400 Ferrítica Não endurecível Cromo 400 Austenítica Não endurecível Cromo-Níquel 300

29 19 Uma segunda divisão mais criteriosa estabelece sete grupos, entre eles: martensíticos, ferríticos, austeníticos, endurecíveis por precipitação, duplex, super duplex e super austeníticos [17]. A estrutura metalográfica dos aços inoxidáveis é determinada basicamente por sua composição química, sobretudo pelos teores de carbono, cromo, níquel, manganês, molibdênio, entre outros, bem como pelos tratamentos térmicos e/ou mecânicos realizados. Os aços inoxidáveis são normalmente designados pelos sistemas de numeração da AISI (American Iron and Steel Institute), UNS (Unified Numbering System) ou por designação própria do fabricante da liga. Entre estes, o sistema da AISI é o mais utilizado. Nele, a maioria dos graus de aços inoxidáveis possui uma classificação com três dígitos. Os aços austeníticos fazem parte das séries 200 e 300, enquanto que a série 400 designa tanto aços ferríticos quanto martensíticos. A série UNS, por sua vez, possui um maior número de ligas que a AISI, pois incorpora todos os aços inoxidáveis além dos de desenvolvimento mais recente. Nesta série, os aços inoxidáveis são representados pela letra S, seguida de cinco números. Os três primeiros representando a numeração AISI (se tiverem). Os dois últimos algarismos serão 00 se o aço for um aço comum da designação AISI. Se forem diferentes, significa que o aço tem alguma característica especial reconhecida pela UNS. São apresentadas abaixo, algumas microestruturas básicas dos aços inoxidáveis: Figura 2 Microestrutura do aço inoxidável martensítico [12].

30 20 Figura 3 Microestrutura do aço inoxidável ferrítico [12]. Figura 4 Microestrutura do aço inoxidável austenítico [12] Influência do teor de carbono O teor de carbono influencia as características dos aços inoxidáveis em diferentes sentidos que será explicado a seguir. A partir de certo teor, o carbono torna temperáveis determinados aços, que por este motivo são classificados como aços inoxidáveis martensíticos; com teores mais baixos de carbono, o mesmo aço não é temperável, enquadrando-se, portanto, entre os aços inoxidáveis ferríticos. Esse é o caso típico dos aços inoxidáveis com teores entre 13% e 18% de Cr. Quanto às características de resistência à corrosão, o carbono tem uma influência desfavorável nos aços austeníticos: os de teor mais elevado são

31 21 normalmente mais propensos a sofrer corrosão intercristalina do que os de teor mais baixo Influência dos elementos de liga Outros elementos podem estar presentes, como o níquel, molibdênio, nióbio e titânio, em proporções que caracterizam a estrutura, propriedades mecânicas e o comportamento final em serviço do aço inoxidável. Alguns destes elementos serão descritos a seguir. Cromo Elemento de liga fundamental dos aços inoxidáveis. Adicionados em teores da ordem de 12%. Sua função básica está relacionada com a formação de uma película impermeável que protege o aço contra o ataque de agentes agressivos, denominada camada passiva. Níquel O níquel favorece a formação da austenita, tendendo a aumentar o campo de existência dessa fase, que se entenda a temperatura ambiente no caso dos aços inoxidáveis austeníticos. Sua adição provoca também uma mudança na estrutura do material que apresenta melhores características de: - Ductilidade, - Resistência mecânica a quente, - Soldabilidade, - Resistência à corrosão. O Cromo e o níquel então, constituem os elementos primordiais dos aços inoxidáveis. Outros elementos complementam suas funções. Manganês Aumenta a solubilidade do nitrogênio na fase austenítica.

32 22 Molibdênio e cobre Têm a finalidade de melhorar a resistência à corrosão em ambientes agressivos por via úmida. Nitrogênio Estabilizador da austenita contra a formação de ferrita a elevadas temperaturas e contra a formação de martensita em baixas temperaturas. O excesso de nitrogênio solubilizado irá resultar na precipitação de nitreto de cromo que, em certas circunstâncias pode causar sensitização. Silício e alumínio Melhoram a resistência à oxidação a altas temperaturas. Titânio e nióbio São elementos "estabilizadores" nos aços austeníticos, impedindo a redução de cromo via precipitação em forma de carbonetos durante aquecimento e/ou resfriamento lento em torno de 700ºC, que provocaria uma diminuição da resistência local à corrosão intercristalina. Existem ainda outros elementos que modificam e melhoram as características básicas dos aços inoxidáveis, como o manganês e o nitrogênio, o cobalto, o boro e as terras raras, porém são muito específicos. Enxofre Quando adicionado intencionalmente aos aços inoxidáveis, tem a função de melhorar a usinabilidade, tal como nos aços para construção mecânica.

33 Processos para obtenção dos aços inoxidáveis Figura 5 Fluxograma de produção do aço inoxidável [26]. 2.4 Aços inoxidáveis martensíticos Os aços inoxidáveis martensíticos, freqüentemente recebem a adição de outros elementos de liga para melhoria de suas propriedades mecânicas, resistência à corrosão e ao revenimento. São austeníticos na faixa de 950 C a 1050 C e se transformam em martensita ao serem resfriados. São usualmente revenidos para se obter uma boa combinação de resistência mecânica, ductilidade e tenacidade. A martensita é uma fase rica em carbono, frágil e dura. Os aços inoxidáveis martensíticos têm características comuns de serem magnéticos e endurecíveis por tratamento térmico, apresentando, quando temperados, uma microestrutura acicular.

34 24 São aços projetados para proporcionar propriedades com o máximo de dureza da categoria após tratamento térmico. A resistência à corrosão é obtida através de tratamento térmico (têmpera) a partir de 1093 C para assegurar uma melhor solução de carbonetos [12]. Estas classes de aços, não são normalmente indicadas em aplicações em altas temperaturas. A resistência à corrosão é reduzida se a liga for aquecida acima de 427 C depois da têmpera e revenido recomendados. O mais utilizado dos aços inoxidáveis martensíticos no Brasil é o AISI 420 que apresenta como composição química típica os elementos de liga apresentados na tabela 2. Em estado recozido (estrutura ferrítica), não apresenta bom comportamento frente à corrosão atmosférica. Isto porque durante a operação de recozimento, à temperatura aproximada de 760ºC, o carbono e o cromo se combinam para formar carboneto de cromo, Cr 23 C 6. Cada molécula de carboneto de cromo contém em peso, aproximadamente 95% de cromo. Considerando o alto teor de carbono e o baixo teor de cromo do AISI 420 (aproximadamente 0,35% C e 12,50% Cr) e como todo o carbono precipita como carboneto de cromo durante o recozimento, esta precipitação retirará da solução sólida aproximadamente a metade do cromo disponível. Nesta condição o material não resiste à corrosão e não pode ser considerado propriamente como um aço inoxidável (já que não tem um mínimo de 11% de cromo em solução sólida). Assim, o AISI 420 é colocado em serviço pelo usuário somente após um tratamento de têmpera. Quando temperado, o carbono forma parte da fase martensítica, não sendo encontrado na liga precipitado como carboneto de cromo. A alta dureza e a conseqüente resistência ao desgaste norteiam as aplicações deste material, utilizado em cutelaria, discos de freio, equipamentos cirúrgicos, turbinas entre outros. Tabela 2 Composição química típica do aço inoxidável AISI 420 [17]. Elemento Cr Ni C Mn Si P S Mo Outros % ,15 1,0 1,0 0,04 0,03 - -

35 25 Se a quantidade elevada de carbono é inconveniente no AISI 420 em estado recozido, uma solução encontrada é a de diminuir este teor, o que é feito no aço inoxidável AISI 410 que apresenta como composição química típica os elementos de liga apresentados na tabela 3. Como este material tem um máximo de 0,15% de carbono, esta quantidade não é suficiente para remover tanto cromo da solução sólida e conseqüentemente, apresenta uma boa resistência à corrosão atmosférica, tanto na condição de recozido como de temperado. Tabela 3 Composição química típica do aço inoxidável AISI 410 [17]. Elemento Cr Ni C Mn Si P S Mo Outros % 11,5 13,5-0,15 1,0 1,0 0,04 0, Após o tratamento de têmpera, as durezas atingidas por este material não são altas quanto às apresentadas pelo aço inoxidável AISI 420. As principais aplicações do aço inoxidável AISI 410 são em equipamentos para refino de petróleo, válvulas, componentes de bombas e cutelaria. Aumentando-se a quantidade de enxofre e manganês obtém-se o aço inoxidável AISI 420F (descrito na tabela 4), uma variedade do AISI 420, com boa usinabilidade. Tabela 4 Composição química típica do aço inoxidável AISI 420F [17]. Elemento Cr Ni C Mn Si P S Mo Outros % ,60 0,15 1,25 1,0 0,06 0, Adições de carbono (para se obter durezas ainda maiores), de cromo e molibdênio (melhorando a resistência à corrosão) nos levam aos aços inoxidáveis martensíticos AISI 440C (descrito na tabela 5), utilizados em alguns instrumentos das áreas médica e odontológica e na fabricação de facas de corte profissional.

36 26 Tabela 5 Composição química típica do aço inoxidável AISI 440C [17]. Elemento Cr Ni C Mn Si P S Mo Outros % ,75 0,95-1,2 1,0 1,0 0,04 0, Pelo fato dos aços inoxidáveis martensíticos serem ligas aço cromo contendo entre 11,5 e 18% Cr, dividem-se em duas classes: - Baixo teor de carbono, - Elevado teor de carbono. Baixo teor de carbono No sistema Fe-C-Cr apresentam um domínio da austenita com teores de 0,1%C e 12%Cr, apresentando-se no limite de início de formação da ferrita-delta, a 1050 C. Para máxima resistência, o aço deve ser totalmente austenítico à temperatura de solubilização, resultando em estrutura 100% martensítica após resfriamento ao ar. No entanto, a resistência da martensita 0,1%C é limitada a 1300MPa e, devido ao revenimento, este deve ser ligado para aumentar a resistência ao revenido e atingir níveis máximos de resistência mecânica. Elevado teor de carbono Com o aumento do teor de C, ocorre o aumento da resistência à tração, isso devido ao aumento da fração volumétrica de carbonetos com conseqüência a necessidade de aumentar a temperatura de austenitização. Efeitos como a diminuição da tenacidade e diminuição na soldabilidade são visíveis nesta classe. O aumento do teor de carbono pode causar precipitação do carboneto nos contornos dos antigos grãos de austenita ao se aquecer o aço em temperaturas próximas a 550 C, levando a corrosão por pites (pontos). Outra possível aplicação é manter o teor de carbono e aumentar o teor de cromo, para aplicações que se exige maior resistência à corrosão, ou seja, atmosferas marinhas ou ambientes com água salgada, quando se aplicam teores de 16-17%Cr.

37 27 Geralmente adiciona-se níquel, para minimizar a quantidade de Ferrita-delta na estrutura, não se ultrapassando 2%, para não provocar excessivo abaixamento da temperatura martensítica inicial e conseqüente presença de austenita retida. Características principais - Tem-se o níquel como elemento que melhora a resistência à corrosão, - São ferromagnéticos, - São facilmente trabalhados a frio ou a quente, sobretudo quando for de baixo teor de carbono, - Apresenta boa resistência a corrosão com baixo teor de carbono, - Com um teor de carbono mais elevado, a resistência à corrosão fica prejudicada, sendo compensada com teores elevados de cromo, - São submetidos ao tratamento térmico de têmpera. Aplicações típicas Cutelaria; instrumentos hospitalares, cirúrgicos; réguas; medidores; engrenagens; eixos; pinos; rolamentos de esferas; disco de freio; válvulas; anéis. 2.5 Definições para os biomateriais Por definição biomaterial é qualquer substância (outra que não droga) ou combinação de substâncias, sintéticas ou naturais em origem, que possa ser usada por um período de tempo, completa ou parcialmente como parte de um sistema que trate, aumente ou substitua qualquer tecido, órgão ou função do corpo [27]. Também pode ser encontrada como qualquer material sintético que é usado para substituir ou restaurar a função dos tecidos do corpo e que mantem contato contínuo ou intermitente com os fluidos [28]. Os biomateriais podem ser bioinertes, bio-ativos ou bio-reabsorvíveis. Estes biomateriais, quando implantados, estão submetidos a esforços mecânicos em ambientes bastante agressivos, como o biofilme bacteriano e a saliva na cavidade bucal e os fluidos fisiológicos no resto do organismo, necessitando o emprego de diversas técnicas para avaliar resistência ao desgaste e à corrosão [3].