Estruturas multi-material multi-funcionais para implantes ortopédicos utilizando estratégias assistidas a laser

Programa doutoral em Engenharia MecânicaA artoplastia Total da Anca (ATA) é um procedimento largamente utilizado, que consiste na remoção e substituição da cabeça femoral e do acetábulo por uma prótese. Esta cirurgia pretende proporcionar ao paciente uma solução que restaure a funcionalidade da anca e a mobilidade sem dor. Nos últimos anos, o aumento do número de ATAs e cirurgias de revisão impulsionou a investigação de novas abordagens relativas ao design destas próteses. De todas as complicações que podem ocorrer após implantação, a principal causa de cirurgias de revisão está relacionada com a perda de fixação entre a prótese e o tecido ósseo circundante. A fraca adesão e osseointegração ao implante, a baixa resistência ao desgaste e a diferença entre os módulos de Young de implante e osso são as principais razões que levam à necessidade de recorrer a cirurgias de revisão. Idealmente, um implante deve exibir biocompatibilidade de modo a não causar reações adversas ao organismo; bioatividade para induzir uma resposta biológica para promover formação, proliferação e integração óssea e, ao mesmo tempo, exibir propriedades mecânicas adequadas, i.e., ter um módulo de elasticidade adequado ao osso e resistência à corrosão e desgaste in vivo. Neste sentido, esta tese de doutoramento foca-se no desenvolvimento de estruturas multi-funcionais multi-material com o intuito de superar os problemas acima referidos e assim aumentar a vida útil do implante. Para tal, estratégias de manufatura assistida por laser, nomeadamente ablação e fusão seletiva a laser, foram utilizadas para produzir soluções mono- e multi-material com multi-funcionalidade visando implantes de anca. Deste modo, foram produzidas soluções mono-material Ti6Al4V and NiTi, incluindo componentes estruturados ou superficialmente texturizados nos quais ainda foram incorporados novos materiais (fosfatos de cálcio ou PEEK). Esta abordagem visa adicionar novas funções a estes implantes ao introduzir conceitos como a bioatividade aliados a um desempenho mecânico e tribológico adequados. Estas soluções foram caracterizadas quanto ao seu desempenho bio-tribológico e interação biológica, demonstrando uma combinação de propriedades adequada para criar uma solução efetiva a longo prazo, de acordo com especificações locais.Total hip arthroplasty (THA) is a widespread procedure in which the diseased femoral head and acetabulum are removed and replaced by a prosthesis. This surgery aims to restore hip functionality and provide pain-free mobility to the patient. In the last few years, the increase in the number of THA and revision surgeries boosted the research on new approaches to this prosthesis design. Among all complications that can occur after implantation, the loss of fixation between implant and surrounding bone tissue is the one that causes the highest number of revision surgeries. Poor bone-to-implant bond and osseointegration, poor wear resistance and a Young’s modulus (YM) mismatch between implant and bone are the main reasons that lead to revision surgeries. Ideally, an implant should have biocompatibility and not cause any undesired reactions to the body; hold bioactivity to induce a biological response for bone formation, proliferation and integration with the implant, while displaying suitable mechanical properties, i.e., presenting a tailored elastic modulus to bone and corrosion and wear resistance in vivo. In this sense, this PhD thesis is focused on the development of multi-functional multi-material structures to overcome all the abovementioned issues and increase hip implant lifetime. For that purpose, laser-assisted manufacturing strategies, namely Laser ablation and Selective Laser Melting were used to manufacture mono- and multi-material solutions with multi-functionality targeting hip implants. In this sense, mono-material Ti6Al4V and NiTi solutions, including structured or surface textured components were produced, in which new materials were further incorporated (calcium phosphates and PEEK). This approach aims to add new functions to these implants by introducing concepts like bioactivity allied to suitable mechanical and wear performance. These solutions were characterized bio-tribologically and biologically showing a suitable combination of properties to create a long-term and effective solution according to local requirements.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - PhD grant SFRH/BD/140191/2018