Revisão sistemática de parâmetros utilizados na fabricação estruturas de Ti6Al4V por fusão em leito de pó e sua relação com o afrouxamento asséptico de quadril

Abstract

O evento adverso mais comum em artroplastias de quadril é o afrouxamento asséptico, ocorrido principalmente pela incompatibilidade de propriedades entre o implante e o osso hospedeiro. Componentes porosos de Ti6Al4V podem mimetizar a estrutura natural do osso humano, gerando um ambiente adequado à adesão e ao crescimento celular, e equiparando a rigidez do material com a dos ossos cortical e trabecular. O alto ponto de fusão e sua afinidade com gases atmosféricos estão entre as limitações de obter componentes porosos de titânio com os processos convencionais de fabricação. Nesse sentido, cada vez mais estudos são focados em manipular os parâmetros de processos por manufatura aditiva por fusão em leito de pó, na obtenção da melhor combinação de estruturas porosas para a aplicação em artroplastias de quadril. A presente dissertação tem como ponto de partida a falta de uma revisão sistemática reunindo os estudos presentes na literatura atual que abordem a fabricação por manufatura aditiva de estruturas de Ti6Al4V com aplicação em implantes de quadril. Desta forma, é elaborada uma revisão sistemática, verificando se os artigos encontrados na literatura apresentam os parâmetros de fabricação aplicados, bem como as propriedades mecânicas e morfológicas da estrutura pós fabricação. Os processos de fabricação em foco são a fusão por feixe de elétrons e a fusão seletiva a laser. A metodologia utilizada tem como objetivo relacionar os parâmetros de processo utilizados nos artigos encontrados, bem como as propriedades morfológicas e mecânicas das estruturas obtidas, com o efeito desses na possível diminuição do afrouxamento asséptico de implantes de quadril. Para tal, considerou-se como hipótese válida a presença das informações relacionados a parâmetros de processo e propriedades morfológicas e mecânicas nos artigos encontrados, do contrário tratou-se a hipótese nula H0. A pesquisa foi realizada nas bases de dados Scopus, PubMed e Web of Science, obtendo-se 715 artigos a partir das palavras chave de busca estabelecidas. Do total da quantidade de artigos resultantes da busca, 9 estudos foram inclusos nos critérios de inclusão, verificando-se que a quantidade de estudos com o detalhamento de processos e propriedades das estruturas é escasso na literatura científica até a data da presente revisão sistemática. Assim, a hipótese H1 foi apenas parcialmente comprovada, pois a maior parte dos artigos não informou todos os parâmetros de fabricação utilizados nos processos. Em apenas um estudo foi possível fazer uma avaliação aprofundada das estruturas obtidas, coerentes com o osso cortical. Além disso, nem todos os artigos usam de aparatos comerciais em seus procedimentos, o que restringe a análise de fabricação da estrutura com o que está disponível no mercado. Ressalta-se a complexidade dos processos de manufatura aditiva, sendo necessárias informações além de parâmetros de processo para uma análise mais aprofundada das estruturas obtidas. É proposta, para estudos futuros, a fabricação de componentes por fusão seletiva a laser com estruturas internas e externa próximas ao osso trabecular e cortical, respectivamente, de forma a serem obtidos componentes com altas resistência mecânica e proliferação celular, simultaneamente.

Abstract: The most common adverse event in hip arthroplasties is aseptic loosening, occurring mainly due to properties incompatibility between the implant and the host bone. Ti6Al4V porous components mimics the natural structure of human bone, creating a suitable environment for cell adhesion and growth, and equating the material rigidity with that of the cortical and trabecular bones. The high melting point and its affinity with atmospheric gases are among the limitations in obtaining porous titanium components with conventional manufacturing processes. On this way, more studies are focused on manipulating process parameters by additive manufacturing by powder bed fusion, obtaining the best combination of porous structures for hip arthroplasties application. The present dissertation has as its starting point the lack of a systematic review bringing together the studies present in the current literature which address the manufacture by additive manufacture of structures of Ti6Al4V for hip implants application. This systematic review verifies if the studies found present the manufacturing parameters applied as well as the mechanical and morphological properties of the postfabrication structure. The manufacturing processes in focus are electron beam melting and selective laser melting. The methodology used aims to relate the studies? process parameters, as well as the morphological and mechanical properties of the structures obtained, with their effect in the hip implants aseptic loosening reduction. The presence of information related to process parameters and morphological and mechanical properties in the studies was considered a valid hypothesis, otherwise the null hypothesis H0 was treated. The research was carried out in the Scopus, PubMed and Web of Science databases, obtaining 715 articles from the established search strings. Among the articles found in this search, 9 studies were included in the inclusion criteria, verifying that the number of studies detailing processes and properties of structures is scarce in the scientific literature until the date of this systematic review. The H1 hypothesis was only partially proven, as most studies did not inform all the manufacturing parameters used in the processes. In only one study it was possible to make an in-depth evaluation of the structures obtained, consistent with the cortical and trabecular bones. Moreover, not all studies use commercial apparatuses in their procedures, which restricts the manufacturing analysis of the structure with what is available on the market. It is proposed, for future studies, the manufacture of components by selective laser melting with internal and external structures close to the trabecular and cortical bone, respectively, in order to obtain components with high mechanical resistance and cellular proliferation, simultaneously.