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ORCID:  http://orcid.org/0000-0001-8675-6455
Tipo do documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso Aberto
Attribution-NoDerivs 3.0 United States
Título: Revestimento de polímeros termoplásticos com cerâmicas bioativas para aplicação em implantes ortopédicos: estudo das propriedades mecânicas, químicas e biológicas segundo parâmetros de processamento
Título(s) alternativo(s): Coating of thermoplastic polymers with bioactive ceramics for application in orthopedic implants: study of mechanical, chemical and biological properties according to processing parameters
Autor(es): Campos, Felipe dos Anjos Rodrigues
Primeiro orientador: Machado, Álisson Rocha
Primeiro coorientador: Castro Filice, Letícia de Souza
Primeiro membro da banca: Silva, Leonardo Rosa Ribeiro da
Segundo membro da banca: Silva Junior, Washington Martins da
Terceiro membro da banca: Soares Junior, Paulo Cesar
Quarto membro da banca: Menezes, Romualdo Rodrigues
Resumo: A crescente demanda por implantes ortopédicos personalizados e de baixo custo tem estimulado o desenvolvimento de novas tecnologias de manufatura e funcionalização de biomateriais. Nesta tese, foram investigados dois métodos inovadores para o revestimento de polímeros termoplásticos com cerâmicas bioativas — o jateamento intermitente com ar comprimido e o recozimento em leito de pó — visando aplicações em implantes ortopédicos produzidos por manufatura aditiva. Ambos os processos foram aplicados a peças de ácido polilático (PLA) impressas em 3D pelo processo Fused Filament Fabrication (FFF), sendo avaliados os efeitos de parâmetros de impressão e de revestimento sobre as propriedades mecânicas, químicas e biológicas dos componentes. O jateamento utilizou fluxo contínuo de ar quente combinado a jatos intermitentes de ar comprimido contendo partículas de hidroxiapatita (HA), permitindo a incorporação superficial dos particulados. O recozimento em leito de pó consistiu na imersão das amostras em partículas submicrométricas de HA e posterior aquecimento próximo à temperatura de fusão do polímero, favorecendo a adesão por difusão. Ensaios mecânicos (flexão, impacto, dureza e esclerometria), análises químicas (MEV/EDS, FTIR, ângulo de contato) e testes in vitro de citotoxicidade e diferenciação osteogênica foram realizados para caracterizar o desempenho dos revestimentos e dos substratos. Os resultados indicaram que ambos os métodos possibilitam a deposição de camadas bioativas aderentes, embora apenas no recozimento em leito de pó tenha ocorrido comprovado aumento da hidrofilicidade e manutenção de propriedades mecânicas adequadas, além do método se destacar pela uniformidade e maior espessura do revestimento, com o jateamento destacando-se negativamente pela dificuldade de execução e dano térmico deletério à geometria das amostras. Os testes biológicos confirmaram a ausência de citotoxicidade e o estímulo à diferenciação osteogênica, evidenciando o potencial clínico das técnicas. Conclui-se que os processos propostos representam alternativas de baixo custo e compatíveis com polímeros reabsorvíveis, com potencial para integração em fluxos produtivos de implantes ortopédicos personalizados. Recomenda-se a continuidade dos estudos com foco em otimização paramétrica, avaliação de durabilidade em condições simuladas e validação in vivo.
Abstract: The growing demand for low-cost, customized orthopedic implants has spurred the development of new technologies for manufacturing and functionalizing biomaterials. This thesis investigated two innovative methods for coating thermoplastic polymers with bioactive ceramics—intermittent compressed air jetting and powder bed annealing—for applications in orthopedic implants produced by additive manufacturing. Both processes were applied to polylactic acid (PLA) parts 3D printed using the Fused Filament Fabrication (FFF) process, evaluating the effects of printing and coating parameters on the mechanical, chemical, and biological properties of the components. Jetting used a continuous flow of hot air combined with intermittent jets of compressed air containing hydroxyapatite (HA) particles, allowing for surface incorporation of the particles. Powder bed annealing consisted of immersing the samples in submicron HA particles and subsequently heating them close to the polymer's melting temperature, promoting adhesion by diffusion. Mechanical tests (flexural, impact, hardness, and rebound hammer), chemical analyses (SEM/EDS, FTIR, contact angle), and in vitro cytotoxicity and osteogenic differentiation tests were performed to characterize the performance of the coatings and substrates. The results indicated that both methods enable the deposition of adherent bioactive layers, although only powder bed annealing demonstrated increased hydrophilicity and maintenance of adequate mechanical properties. The method also stands out for its uniformity and greater coating thickness, with compressed air jetting standing out negatively due to its difficulty of execution and deleterious thermal damage to the sample geometry. Biological tests confirmed the absence of cytotoxicity and the stimulation of osteogenic differentiation, demonstrating the clinical potential of the techniques. It can be concluded that the proposed processes represent low-cost alternatives compatible with resorbable polymers, with potential for integration into production processes for customized orthopedic implants. It is recommended to continue studies focusing on parametric optimization, durability assessment under simulated conditions and in vivo validation.
Palavras-chave: Implantes ortopédicos
Orthopaedic implants
PLA
Hidroxiapatita
Hydroxyapatite
Recozimento em leito de pó
Powder bed annealing
Jateamento cerâmico
Ceramic jetting
Manufatura aditiva
Additive manufacturing
Área(s) do CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROCESSOS DE FABRICACAO
Idioma: por
País: Brasil
Editora: Universidade Federal de Uberlândia
Programa: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Referência: RODRIGUES CAMPOS, Felipe dos Anjos. Revestimento de polímeros termoplásticos com cerâmicas bioativas para aplicação em implantes ortopédicos [recurso eletrônico] :estudo das propriedades mecânicas, químicas e biológicas segundo parâmetros de processamento. 2025. 188 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.5058.
Identificador do documento: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.5058
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/47628
Data de defesa: 10-Out-2025
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS): ODS::ODS 3. Saúde e bem-estar - Assegurar uma vida saudável e promover o bem-estar para todos, em todas as idades.
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