Efeito da adição de Ti na microestrutura e propriedades mecânicas da liga Co–Cr–Mo desenvolvida pelo processo de fabricação aditiva de pó metálico por micro-arco de plasma

Metais mais resistentes para joelhos que duram mais

Quando recebemos um implante de joelho, confiamos que ele suportará nosso peso, dia após dia, por muitos anos. No entanto, implantes reais podem desgastar-se lentamente, afrouxar ou rachar. Este estudo explora uma maneira de tornar um metal amplamente usado em implantes não apenas mais forte e tenaz, mas também mais compatível com o corpo, adicionando uma pequena quantidade de titânio e fabricando-o com um processo preciso semelhante à impressão 3D.

Por que um metal comum de implante precisa de uma atualização

Joelhos artificiais modernos são frequentemente feitos de uma liga de cobalto–cromo–molibdênio, escolhida porque resiste à corrosão no corpo e suporta bem o atrito constante em uma articulação. No entanto, essa liga é muito rígida, o que pode deslocar tensões para longe do osso, às vezes enfraquecendo-o com o tempo, e pode desenvolver poros e microfissuras que encurtam a vida útil do implante. O titânio e suas ligas são mais gentis com o osso e mais leves, mas não resistem ao desgaste tão bem. Os autores buscaram combinar o melhor dos dois mundos, adicionando apenas 4% de titânio em peso à mistura de cobalto–cromo–molibdênio e fabricando-a usando um processo de fabricação aditiva de pó metálico por micro-arco de plasma, um método de impressão 3D metálica em escala fina.

Imprimindo um novo tipo de metal para joelho

Em vez de fundir ou moldar a liga em massa, a equipe usou uma máquina personalizada de cinco eixos que alimenta pós metálicos em uma pequena tocha de plasma, depositando o material em camadas finas. Eles primeiro misturaram pós de alta pureza de cobalto, cromo, molibdênio e, para a nova versão, titânio, depois os secaram e depositaram oito camadas empilhadas sobre uma placa base de titânio. A partir dessas deposições cortaram pequenas peças de teste para medir densidade, porosidade, dureza e comportamento mecânico em tração, compressão e flexão. Também poliram e atacaram quimicamente amostras para observar a estrutura interna do metal em microscópios potentes e identificar as diferentes fases cristalinas presentes.

O que acontece internamente quando o titânio é adicionado

Na liga original, os pesquisadores observaram uma estrutura rica em cobalto com duas formas cristalinas principais, além de carbetos de cromo duros e pequenas fissuras associadas a vazios. Quando o titânio foi adicionado, os grãos no interior do metal ficaram mais finos e o número de microfissuras diminuiu. Surgiram novas regiões contendo titânio, incluindo uma fase estável em alta temperatura e um composto cobalto–titânio que age como uma partícula de reforço dura. Ao mesmo tempo, a porosidade global caiu e a densidade diminuiu levemente porque o titânio é mais leve que o cobalto, o cromo e o molibdênio. Um filme protetor de óxido de titânio ajudou a limitar oxidações adicionais, o que também reduziu a formação de poros.

Da microestrutura à resistência no mundo real

Essas mudanças internas se traduziram em ganhos de desempenho claros. A liga modificada com titânio apresentou valores de dureza mais altos, indicando maior resistência à indentação e ao desgaste. Em testes de tração, exibiu maior limite de escoamento e maior resistência à tração última, além de alongar-se mais antes de romper, ou seja, tornou-se simultaneamente mais forte e mais dúctil. Em compressão, a nova liga suportou cargas maiores e apresentou um aumento de seção transversal mais pronunciado, sinal de que pode absorver mais energia sem falhar. Testes de flexão em três pontos, que imitam carregamentos fora do plano que implantes podem sofrer, também favoreceram a versão com titânio, com maior resistência à flexão e maior deformação antes da fratura. A combinação de grãos mais finos, menos poros e partículas duras de cobalto–titânio atuou em conjunto para bloquear os pequenos deslocamentos na rede cristalina que levam à deformação permanente e ao crescimento de fissuras.

O que isso significa para futuros implantes de joelho

No geral, adicionar uma pequena quantidade de titânio e moldar a liga via fabricação aditiva por micro-arco de plasma produziu um metal mais leve, menos poroso, mais duro e superior mecanicamente em tração, compressão e flexão em comparação com a liga padrão de cobalto–cromo–molibdênio. Por ser ligeiramente menos rígido e mais tolerante sob carregamento, deve reduzir o descompasso de rigidez entre metal e osso, atenuando o problema conhecido como proteção por estresse. Embora sejam necessários ensaios biológicos adicionais e testes de longa duração, este trabalho sugere que adições de titânio cuidadosamente calibradas e técnicas avançadas de impressão metálica 3D podem levar a implantes de joelho que durem mais, falhem com menos frequência e proporcionem uma sensação mais natural aos pacientes.

Citação: Negi, B.S., Arya, P.K., Jain, N.K. et al. Effect of Ti addition on microstructure and mechanical properties of Co–Cr–Mo alloy developed by µ-plasma arc metal powder additive manufacturing process. Sci Rep 16, 7308 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35741-w

Palavras-chave: implantes de joelho, liga de cobalto cromo, reforço com titânio, fabricação aditiva, materiais biomédicos