Materiais poliméricos reforçados para aplicações biomédicas

Abstract

Actualmente existe uma elevada preocupação quanto à durabilidade e ao desgaste da prótese da anca aplicada no ser humano. A utilização de metal para a cabeça femoral e de material polimérico, nomeadamente do polietileno de alta densidade e elevado peso molecular (UHMWPE), para a componente acetabular, tem revelado alguns problemas a nível do desgaste da componente acetabular com a libertação de partículas do material polimérico. Estas partículas causam infecções nos tecidos, provocando à perda de fixação do implante, podendo levar à cirurgia de revisão. Uma das soluções para reduzir o número de revisões associadas ao desgaste do polímero (como do UHMWPE) passa pelo melhoramento das propriedades físicas e mecânicas do UHMWPE, através da utilização de um material de reforço. No presente trabalho são utilizados nanotubos de carbono (CNTs) como material de reforço do UHMWPE. Os compósitos (UHMWPE/CNT), com diferentes percentagens volúmicas de CNTs (0.2 a 2%), são preparados por mistura mecânica (ball-milling) por forma a ser atingida uma mistura homogénea dos CNTs na matriz polimérica. Para o processamento dos compósitos e produção dos protótipos da componente acetabular, é utilizada a técnica de compressão em prensa de pratos quentes. Foi utilizado um molde com seis cavidades, sendo, desta forma possível, a cada ciclo, obter seis protótipos da componente acetabular. O ciclo de compressão foi optimizado relativamente às variáveis envolvidas: temperatura e pressão de processamento e tempo de compactação. A metodologia de Taguchi foi aplicada para a optimização do ciclo de compressão. Desta forma, foi possível, com um número mínimo de experiências, obter as condições óptimas de processamento. Os ensaios de tracção demonstram uma melhoria das propriedades mecânicas dos compósitos (para todas as concentrações volúmicas de CNTs testados), face às do UHMWPE puro. Verificou-se um aumento de 28 e 49% para a dureza e Módulo de Young, respectivamente o que mostra um reforço dos CNTs na matriz polimérica.

ABSTRACT: Nowadays there is an extremely high concern about the durability and the wear of hip prosthesis used in human. The use of metals for the femoral head and the polymeric material, namely ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE), for the acetabular cup component, has revealed some problems, such as wear of the acetabular cup component with the release of small polymeric particles. These particles can cause infections in tissues leading the loosening of the implant and consequent need to a revised surgery. One possible solution to decrease the revised surgeries due to the wear of the polymeric material (as the UHMWPE) is by improving the physical and mechanical properties of the UHMWPE through the use of a reinforcing material. In present study it was used carbon nanotubes (CNTs) as reinforcing material in the UHMWPE. The composites (UHMWPE/CNT), with different volume fractions of CNTs (0.2 to 2%) are prepared through ball milling in order to obtain an homogeneous mixture of the CNTs into the polymeric matrix. The compression moulding technique was applied to process the acetabular cups prototypes. It was used a mould with six cavities. With this mould it is possible to process six acetabular cups prototypes each cycle. The compression moulding cycle was optimized regarding to the involved variables: processing temperature and pressure and compaction time. The Taguchi methodology was applied in order to optimize the compression cycle. Thus, it was possible, with a minimum of experiments, to obtain the optimal procession conditions. The tensile tests have shown an improvement of the mechanical properties of the composites (for all tested volumetric concentrations of CNTs), as compared with the pure UHMWPE. It was observed an enhancement of 28 and 49% for the toughness and Young’s Modulus, respectively. These results show an enhancement of the polymeric matrix with the CNTs.