Biomecânica e otimização topológica com H-adaptatividade em implantes dentários nitretados a plasma em cátodo oco

In recent years there has been a significant growth in technologies that modify implant surfaces, reducing healing time and allowing their successful use in areas with low bone density. One of the most widely used techniques is plasma nitration, applied with excellent results in titanium and its alloys, with greater frequency in the manufacture of hip, ankle and shoulder implants. However, its use in dental implants is very limited due to high process temperatures (between 700 C o and 800 C o ), resulting in distortions in these geometrically complex and highly precise components. The aim of the present study is to assess osseointegration and mechanical strength of grade II nitrided titanium samples, through configuration of hollow cathode discharge. Moreover, new formulations are proposed to determine the optimum structural topology of the dental implant under study, in order to perfect its shape, make it efficient, competitive and with high definition. In the nitriding process, the samples were treated at a temperature of 450 C o and pressure of 150 Pa , during 1 hour of treatment. This condition was selected because it obtains the best wettability results in previous studies, where different pressure, temperature and time conditions were systematized. The samples were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscope, roughness, microhardness and wettability. Biomechanical fatigue tests were then conducted. Finally, a formulation using the three dimensional structural topology optimization method was proposed, in conjunction with an hadaptive refinement process. The results showed that plasma nitriding, using the hollow cathode discharge technique, caused changes in the surface texture of test specimens, increases surface roughness, wettability and microhardness when compared to the untreated sample. In the biomechanical fatigue test, the treated implant showed no flaws, after five million cycles, at a maximum fatigue load of 84.46 N. The results of the topological optimization process showed well-defined optimized layouts of the dental implant, with a clear distribution of material and a defined edge

Nos últimos anos tem-se observado um grande crescimento em tecnologias para modificação de superfícies de implantes que reduzam o tempo de espera da cicatrização, assim como possibilite seu uso com sucesso em áreas de baixa densidade óssea. Dentre as diferentes técnicas, a nitretação por plasma desponta como forte candidata, uma vez que a mesma já está sendo empregada com excelentes resultados no titânio e suas ligas, aplicados com maior frequência na confecção de implantes de quadril, ombro e tornozelo. Entretanto, seu uso em implantes dentários é bastante limitado devido às altas temperaturas do processo (entre 700 C o e 800 C o ) resultando em distorções nessas peças que possuem geometria complexa e alto grau de precisão. O objetivo deste trabalho é avaliar a osseointegração e resistência mecânica de amostras de titânio grau II nitretadas, através da configuração de descarga em cátodo oco. Além disto, propor formulações para determinação da topologia ótima estrutural do implante dentário em estudo, com o intuito de aperfeiçoar sua forma, que seja eficiente, competitiva e com alta definição. No processo de nitretação, as amostras foram tratadas em temperatura a de 450 oC e pressão de 150 Pa , durante 1 hora de tratamento. Esta condição foi escolhida por apresentar os melhores resultados de molhabilidade em trabalhos anteriores, onde sistematizou-se diferentes condições de pressão, temperatura e tempo. As amostras tratadas foram caracterizadas por Difração de Raios-X, Microscopia Eletrônica de Varredura, Rugosidade, Microdureza e Molhabilidade. Posteriormente, foram realizados ensaios biomecânicos de fadiga. Finalizando com uma proposta de formulação através do método de otimização topológica tridimensional, combinado a um processo de refino h-adaptativo. Os resultados mostraram que a nitretação a plasma, utilizando a técnica de descarga em cátodo oco, produziu mudanças na textura superficial dos corpos de prova, aumento da rugosidade superficial, da molhabilidade e da microdureza quando comparado a amostra sem tratamento. No ensaio biomecânico de fadiga, o implante tratado não apresentou sinal de falha, após cinco milhões de ciclos, a uma carga máxima de fadiga de 84, 46 N . Os resultados do processo de otimização topológica apresentaram leiautes otimizados bem definidos do implante dentário, com uma nítida distribuição de material e definição do contorno.