Estudo da maquinabilidade das ligas Ti-6Al-4V e Co-28Cr-6Mo na fresagem de dispositivos biomédicos

Os estudos de maquinabilidade de biomateriais e outros materiais aplicados na área médica são extensos. Todavia, muitos destes estudos recorrem a modelos de geometria regular e operações elementares de maquinagem. Relativamente a estas, os estudos académicos atualmente disponíveis mostram que a tecnologia preferencial é o torneamento, opção que se fundamenta na simplicidade de análise (corte ortogonal). Saliente-se ainda que, neste contexto, a liga de titânio Ti-6Al-4V constitui o biomaterial mais utilizado. Numa perspetiva complementar, refira-se que as publicações científicas evidenciam que a informação disponível sobre a fresagem Ti-6Al-4V não é muito extensa e a do Co-28Cr-6Mo é quase inexistente. A presente dissertação enquadra-se neste domínio e representa mais uma contribuição para o estudo da maquinabilidade das ligas de Titânio e de crómio-cobalto. A aplicação de operações de maquinagem complexas, através do recurso a programas informáticos de fabrico assistido por computador (CAM), em geometrias complexas, como é o caso das próteses femorais anatómicas, e o estudo comparativo da maquinabilidade das ligas Co-28Cr-6Mo e Ti-6Al-4V, constituem os objetivos fundamentais deste trabalho de doutoramento. Neste trabalho aborda-se a problemática da maquinabilidade das ligas metálicas usadas nos implantes ortopédicos, nomeadamente as ligas de titânio, de crómiocobalto e os aços Inoxidáveis. Efetua-se ainda um estudo da maquinagem de uma prótese femoral com uma forma geométrica complexa, onde as operações de corte foram geradas recorrendo às tecnologias de fabrico assistido por computador (CAD/CAM). Posteriormente, procedeu-se ao estudo da maquinabilidade das duas ligas usadas neste trabalho, dando uma atenção particular à determinação das forças de corte para diferentes velocidades de corte. Para além da monitorização da evolução da força de corte, o desgaste das ferramentas, a dureza e a rugosidade foram avaliadas, em função da velocidade de corte imposta. Por fim, com base nas estratégias de maquinagem adotadas, analisa-se a maquinabilidade e selecionam-se os parâmetros de corte mais favoráveis para as ligas de Titânio e Crómio-cobalto. Os resultados obtidos mostram que a liga de crómio-cobalto induz maior valor de força de corte do que a liga de titânio. Observa-se um aumento progressivo das forças de corte quando a velocidade de corte aumenta, até atingir o valor máximo para a velocidade de corte de 80m/min, após a qual, a força de corte tende a diminuir. Apesar do fabricante das ferramentas recomendar a velocidade de corte de 50 m/min para ambos os materiais, conclui-se que a velocidade de corte de 65 m/min induz o mesmo desgaste na ferramenta de corte no caso da liga de titânio, e menor desgaste no caso da liga de crómio-cobalto.

Um middleware como interface padrão para acesso a dispositivos biomédicos

A grande diversidade na arquitetura de dispositivos de hardware, aliada aos seus diferentes protocolos de comunicação, tem dificultado a implementação de sistemas que necessitam realizar o acesso a esses dispositivos. Diante dessas diferenças, surge a necessidade de prover o acesso a esses dispositivos de forma transparente. Neste sentido, o presente trabalho propõe um middleware mult entrada e saída para acesso a dispositivos, como forma de abstrair o mecanismo de escrita e leitura de dados em dispositivos de hardware, contribuindo desta forma, para o aumento na produtividade dos sistemas, uma vez que os desenvolvedores estão focados apenas nos seus requisitos funcionais

SOA-DB: uma arquitetura embarcada orientada a serviço para acesso a dispositivos biomédicos

The great diversity in the architecture of biomedical devices, coupled with their different communication protocols, has hindered the implementation of systems that need to make access to these devices. Given these differences, the need arises to provide access to such a transparent manner. In this sense, this paper proposes an embedded architecture, service-oriented, for access to biomedical devices, as a way to abstract the mechanism for writing and reading data on these devices, thereby contributing to the increase in quality and productivity of biomedical systems so as to enable that, the focus of the development team of biomedical software, is almost exclusively directed to its functional requirements

Um middleware como interface padrão para acesso a dispositivos biomédicos

A grande diversidade na arquitetura de dispositivos de hardware, aliada aos seus diferentes protocolos de comunicação, tem dificultado a implementação de sistemas que necessitam realizar o acesso a esses dispositivos. Diante dessas diferenças, surge a necessidade de prover o acesso a esses dispositivos de forma transparente. Neste sentido, o presente trabalho propõe um middleware mult entrada e saída para acesso a dispositivos, como forma de abstrair o mecanismo de escrita e leitura de dados em dispositivos de hardware, contribuindo desta forma, para o aumento na produtividade dos sistemas, uma vez que os desenvolvedores estão focados apenas nos seus requisitos funcionais

Um middleware como interface padrão para acesso a dispositivos biomédicos

A grande diversidade na arquitetura de dispositivos de hardware, aliada aos seus diferentes protocolos de comunicação, tem dificultado a implementação de sistemas que necessitam realizar o acesso a esses dispositivos. Diante dessas diferenças, surge a necessidade de prover o acesso a esses dispositivos de forma transparente. Neste sentido, o presente trabalho propõe um middleware mult entrada e saída para acesso a dispositivos, como forma de abstrair o mecanismo de escrita e leitura de dados em dispositivos de hardware, contribuindo desta forma, para o aumento na produtividade dos sistemas, uma vez que os desenvolvedores estão focados apenas nos seus requisitos funcionais

Assessment of biocompatibility of selected ferroelectric ceramics

Desde há muitas décadas que é sabido que os organismos vivos, em especial os tecidos, reagem fisicamente a estímulos eléctricos, podendo esses efeitos reproduzirem-se numa libertação de químicos endógenos, ou deformar a sua estrutura física. O tecido ósseo por si só é considerado um material/tecido piezoeléctrico, deformando-se mecanicamente quando lhe é induzido um estímulo eléctrico e vice-versa, ou seja, produz um potencial eléctrico quando sofre uma tracção ou compressão mecânica. A hipótese de que um material ferroeléctrico possa vir a produzir efeitos no desempenho deste tipo de tecidos é então proposta, como por exemplo, para uma melhor, mais rápida e eficaz regeneração óssea. Estes mesmos materiais ferroeléctricos podem porventura alterar as cargas de superfície dos tecidos vivos de modo a atrair, atrasar ou até impedir o fluxo iónico de elementos químicos específicos responsáveis pelo processo de regeneração. São escolhidos então o niobato de lítio e o tantalato de lítio como cerâmicos ferroeléctricos e foi estudada pela primeira vez a sua bioactividade in vitro, esperando-se encontrar pistas relativas à sua bioactividade in vivo. Estes cerâmicos ferroeléctricos foram seleccionados devido às suas importantes propriedades piezoeléctricas e ferroeléctricas. Estas propriedades podem abrir um novo e importante leque de aplicações biomédicas caso estes cerâmicos sejam bioactivos. Este trabalho foi dividido em 3 fases: (i) sintetização dos pós de niobato de lítio e tantalato de lítio, (ii) caracterização dos pós e (iii) preparação das amostras e (iv) estudo da bioactividade destes cerâmicos ferroeléctricos. Os pós foram produzidos através de um processo simples de mistura/moagem seguido de calcinação. Foram estudadas as fases cristalinas presentes através de Difracção de raios-X (DRX) e avaliadas as características morfológicas destes pós, nomeadamente o diâmetro de partículas e área superficial específica. De modo a simular o ambiente do plasma humano, foi produzido sinteticamente um “Simulated Body Fluid” (SBF). Seguidamente as amostras foram imersas nesse ambiente líquido por 1, 3, 7, 15 e 21 dias. Após remoção dos pós foram realizadas uma série de análises de modo a estudar a sua bioactividade. De entre estes testes destacam-se a microscopia electrónica de varrimento (SEM/EDS), DRX e espectroscopia de Infravermelho por transformada de Fourier com reflectância total atenuada (FTIR-ATR). Embora não tenham sido detectadas alterações no DRX realizado aos pós, verificou-se a formação de aglomerados de fosfato de cálcio na superfície dos pós através do SEM, resultados estes, reforçados pelo EDS e FTIR-ATR. Estes precipitados de fosfato de cálcio indiciam a capacidade destes pós cerâmicos ferroeléctricos se comportarem como bioactivos em contacto com tecidos ósseos in vivo.

Biofabricação de enxertos porosos de PCL/FastOs™: aplicação óssea

A Engenharia de Tecidos é um domínio multidisciplinar que combina especialistas de múltiplos domínios, no sentido de se desenvolverem substitutos biológicos para a regeneração, reparação ou restauração de funções de órgãos ou tecidos. A estratégia mais comum em engenharia de tecidos consiste na utilização de matrizes de suporte (scaffolds) tridimensionais, biocompatíveis, biodegradáveis e altamente porosos, os quais servem de substrato físico ao processo de adesão, proliferação e diferenciação celular. O objectivo deste trabalho de investigação centrou-se na produção e caracterização de scaffolds de PCL e de PCL com partículas de biovidro, abordando um processo de biofabricação, que teve por base o princípio da extrusão. Utilizou-se para tal um equipamento patenteado pelo Centro para o Desenvolvimento Rápido e Sustentado do Produto (CDRsp) designado Bioextruder. Trata-se de um sistema concebido para a produção de matrizes com ou sem encapsulamento de células, de uma forma automática, flexível e integrada. As estruturas obtidas caracterizaram-se quanto às propriedades térmicas, químicas, morfológicas e mecânicas. Realizaram-se ainda, testes de bioactividade e testes de degradação in vitro. Os resultados obtidos mostram que as condições de processamento não induzem qualquer alteração no que diz respeito às propriedades térmicas e químicas dos materiais, que o aumento do teor de biovidro conduz a uma fragmentação da matriz polimérica num período de tempo mais curto, que os scaffolds obtidos apresentam uma geometria bem definida e uma distribuição de poros uniforme. Demonstra-se assim, que a combinação da matriz polimérica (PCL) com o biovidro, sob a forma de scaffolds é promissora para aplicações em Engenharia de Tecidos e Medicina Regenerativa.

Avaliação do desempenho in vivo do biovidro FastOs™

O conceito de bioatividade surgiu com a descoberta, no início década de 70, de que algumas composições vítreas (ex.: 45S5 Bioglass®), tinham a capacidade de estabelecer uma ligação direta e estável com os tecidos vivos. Desde então, este grupo de biomateriais tem vindo a receber uma atenção cada vez maior por parte dos investigadores, tendo como motivação principal a busca de novas composições com propriedades mais adequadas para a regeneração óssea do que as composições comercialmente disponíveis. Na presente tese, avaliou-se o desempenho in vivo de duas composições de biovidro do sistema diopsite (CaMgSi2O6) - fluorapatite (Ca5(PO4)3F) - fosfato tricálcico (3CaO•P2O5) aplicados em defeitos ósseos de tamanho não crítico em carneiros, tendo também sido avaliada a biocompatibilidade dos biomateriais através da aplicação subcutânea de placas dos mesmos vidros. O trabalho realizado também incluiu a avaliação dos materiais in vitro, através de estudos de biomineralização em fluido corporal simulado e estudos de degradação. Os biomateriais foram comparados com o biovidro 45S5 Bioglass®, sendo que em termos de bioatividade in vitro, as duas composições investigadas apresentaram um maior potencial bioativo, levando à formação de uma camada superficial de hidroxiapatite carbonatada, em contraste com a formação de calcite na composição comercial, sob condições idênticas. Os testes de degradação in vitro também apresentaram resultados melhores para as duas novas composições, traduzidos por variações de pH e taxas de degradação menores do que os observados no caso do 45S5 Bioglass®. A avaliação in vivo dos implantes subcutâneos permitiu apurar a biocompatibilidade dos biovidros testados, tendo sido considerados ligeiramente irritantes. Os resultados relativos à aplicação dos pós de vidro bioativo nos defeitos ósseos não foram obtidos em tempo útil de modo a poderem ser incluídos na presente tese. Considerando o desempenho in vitro e a biocompatibilidade dos materiais estudados, estes podem apontar-se como materiais promissores para aplicações em engenharia de tecidos, particularmente na regeneração do tecido ósseo.

A actividade sintética de hMSCs em contacto com vidros bioativos

Os vidros bioativos constituem um material apropriado para o preenchimento de defeitos ósseos, como alternativa a enxertos autólogos, uma vez que, quando expostos a fluidos fisiológicos promovem a formação de uma ligação com o tecido ósseo sob a forma de uma camada de hidroxiapatite carbonatada. No presente trabalho caracterizaram-se vidros bioativos sem conteúdo alcalino, cuja composição incide no sistema binário de diópsido (CaMgSi2O6) e fosfato de tricálcio (3CaO·P2O5), em função da sua molhabilidade, carga superficial, perfil de degradação, carácter bioativo em fluido fisiológico simulado e do seu comportamento in vitro em contacto com células estaminais mesenquimais humanas (hMSCs). A medição do ângulo de contacto inicial de água sobre os vidros demonstrou o carácter hidrofílico dos vidros investigados. A determinação do potencial zeta mostrou que a carga superficial dos vidros é negativa, sendo mais negativa na composição Di-70. O estudo da biodegradação dos vidros, efetuado através da sua imersão em Tris-HCl, permitiu concluir que a perda de peso dos vidros foi reduzida. A caraterização in vitro em meio acelular foi efetuada através da imersão dos vidros numa solução de fluido fisiológico simulado (SBF) e verificou-se que estes possuem capacidade de formar uma camada de hidroxiapatite carbonatada à sua superfície após 7 dias, detetável por XRD, FTIR e SEM/EDS, sugerindo que este conjunto de vidros é potencialmente bioativo, e poderá estimular a proliferação e diferenciação celular. A resposta das hMSCs em cultura aos vidros bioativos foi avaliada em termos de atividade metabólica, morfologia, viabilidade, proliferação e diferenciação osteogénica e conclui-se que os biovidros Di-60 e Di-70 poderão constituir um suporte viável para a proliferação e diferenciação de hMSCs.

Análise de desempenho sobre redes IEEE 802.3/PM-AH: protoclo multicilos para automação hospitalar

Com a incorporação de conceitos da automação em ambientes hospitalares surge uma série de novos requisitos pertinentes a área médica. Dentre esses requisitos, um que merece destaque é a necessidade do estabelecimento de uma rede de comunicação segura e eficiente entre os elementos do ambiente hospitalar, visto que, os mesmos encontram-se de maneira distribuída. Nesse sentido, existe uma série de protocolos que podem ser utilizados no estabelecimento dessa rede, dentre os quais, um que merece destaque é o PM-AH (Protocolo Multiciclos para Automação Hospitalar) justamente por ser voltado a automatização de ambientes hospitalares tanto no que diz respeito ao cumprimento dos requisitos impostos nesse tipo de ambiente, como pelo fato de ser projetado para funcionar sobre a tecnologia Ethernet, padrão esse que é comumente utilizado pela rede de dados dos hospitais. Em decorrência disso, o presente trabalho aborda uma análise de desempenho comparativa entre redes PM-AH e puramente Ethernet visando atestar a eficiência do primeiro no que diz respeito ao cumprimento dos requisitos impostos pela automação hospitalar

Efeito do tratamento térmico do titânio sobre a proliferação de células pré-osteoblásticas

Titanium is a biomaterial widely employed in biomedical applications (implants, prostheses, valves, stents). Several heat treatments are usually used in order to obtain physical properties required to different applications. This work studied the influence of the heat treatment on microstructure of commercial pure titanium, and their consequences in growth and proliferation of MC3T3-E1 cells. Discs of titanium were treated in different temperatures, and characterized by optical microscopy, image analysis, wettabillity, roughness, hardness and X-ray diffraction. After the heat treatment, significant modifications in these properties were observed. Pattern images of titanium, before and after the cell culture, were compared by overlapping to analyze the influence of microstructure in microstructure and preferences guidance cells. However, in general, titanium discs that showed a higher residual strength also presented an increase of cells numbers on surface

Tratamento térmico do titânio e suas consequências sobre as propriedades físico-químicas e de biocompatibilidade

The titanium and titanium alloys are widely used as biomaterial in biomedical device and so research have been developed aiming to improve and/or better to understand interaction biomaterial/biological environment. The process for manufacturing of this titanium implants usually involves a series of thermal and mechanical processes which have consequence on the final product. The heat treatments are usually used to obtain different properties for each application. In order to understand the influence of these treatments on the biological response of the surface, it was done, in this work, different heat treatments in titanium and analyzed their influence on the morphology, adhesion and proliferation of the pre-osteoblastic cells (MC3T3-E1). For such heat-treated titanium disks were characterized by optical microscopy, contact angle, surface energy, roughness, microhardness, X-ray diffraction and scanning through the techniques (BSE, EDS and EBSD). For the analysis of biological response were tested by MTT proliferation, adhesion by crystal violet and β1 integrin expression by flow cytometry. It was found that the presence of a microstructure very orderly, defined by a chemical attack, cells tend to stretch in the same direction of orientation of the material microstructure. When this order does not happen, the most important factor influencing cell proliferation is the residual stress, indicated by the hardness of the material. This way the disks with the highest level state of residual stress also showed increased cell proliferation

Modelagem aplicada à análise de desempenho do provedor de serviços de uma rede de automação hospitalar ieee 802.3/pm-ah de tempo real

The incorporate of industrial automation in the medical are requires mechanisms to safety and efficient establishment of communication between biomedical devices. One solution to this problem is the MP-HA (Multicycles Protocol to Hospital Automation) that down a segmented network by beds coordinated by an element called Service Provider. The goal of this work is to model this Service Provider and to do performance analysis of the activities executed by in establishment and maintenance of hospital networks

Comparação dos efeitos de compressão isostática e compressão uniaxial na obtenção da liga NiTi por metalurgia do pó

Several alloys present the shape memory effect and among them, the equiatomic NiTi alloy, nitinol, is the most important one. It is usually used in several engineering applications and also in biomedical devices, in the fabrication of orthodontic wire, stents and Judet staples. Although a considerable amount of these biomedical devices is utilized in Brazil and a fraction of it is already made here, all nitinol used is bought abroad. Thus, it is important to develop the necessary know-how to fabricate NiTi wire and sheet. It would mean less importation with job creation and wealth generation for the country. In this work nitinol was obtained powder metallurgy from elemental powders of Ti and Ni using uniaxial compression and uniaxial compression followed by isostatic compression. The final densities achieved were determined by the Archimedes method. The precipitation of intermetallic secondary phases was studied and the samples were characterized by metallographic analysis, optical microscopy and X-ray diffraction. Results indicated that 50 hours sintering route showed a low amount of intermetallics, and no trace of unreacted powder. XRD and metallography at room temperature indicated B19’ as the predominant phase, which corresponds to martensite. Although density results showed little dispersion, the most dense sample was compacted under uniaxial compression and presented 4.8 g/cm3, corresponding to 20.84% porosity. Density variation was considered normal to the measurement process and independent of the compaction mode

Influência da superfície do titânio nitretado a plasma em diferentes atmosferas na ativação de plaquetas sanguíneas

This study aimed to analyze the biological response of titanium surfaces modified by plasma Ar + N2 + H2. Titanium disks grade II received different surface treatments Ar + N2 + H2 plasma, constituting seven groups including only polished samples used as standard. Before and after treatment the samples were evaluated in terms of topography, crystal structure and wettability, using atomic force microscopy, X-ray diffraction, Raman spectroscopy and testing of the sessile drop, respectively. Rich plasma (PRP) was applied to the surfaces modified in culture plates. Images obtained by scanning electron microscopy of the adhered platelets were analyzed to verify the behavior of platelets in the different experimental conditions. We verified that the adition of H2 on plasma atmosphere resulted in more rough surfaces, with round tops. These surfaces, in contrast to that surfaces treated with high concentration of N2, are less propense to platelet aggregation and, consequently, to the formation of thrombus when applied in biomedical devices.