Ligas com memória de forma em aplicações biomédicas

1 Introdução

1.1 Informações básicas

As ligas com memória de forma (SMAs) são materiais compostos por dois ou mais elementos metálicos que apresentam efeitos de memória de forma (SMEs) por meio de termoelasticidade e transformações de fase martensítica e suas reversões. As ligas com memória de forma são os materiais com o melhor desempenho de memória de forma entre os materiais com memória de forma. Até o momento, foram descobertos mais de 50 tipos de ligas com efeitos de memória de forma.

As ligas com memória de forma apresentam efeitos de memória de forma. Por exemplo, quando uma mola feita de liga com memória de forma é colocada em água quente, seu comprimento se alonga imediatamente. Quando colocada em água fria, ela retorna imediatamente à sua forma original. As molas de liga com memória de forma podem ser usadas para controlar a temperatura da água no encanamento do banheiro: quando a temperatura da água fica muito alta, a função "memória" regula ou desliga o fornecimento de água para evitar queimaduras. Elas também podem ser usadas para criar dispositivos de alarme de incêndio e mecanismos de segurança para equipamentos elétricos. Em caso de incêndio, a mola de liga com memória de forma se deforma, acionando o sistema de alarme de incêndio para atingir o objetivo de alertar. Além disso, as molas feitas de ligas com memória de forma podem ser colocadas dentro de válvulas de aquecimento para manter a temperatura ambiente, abrindo ou fechando automaticamente as válvulas quando a temperatura fica muito baixa ou muito alta. O efeito de memória de forma das ligas com memória de forma também é amplamente aplicado em vários acionadores de sensores de temperatura.

Fig. 1 Aplicações médicas do nitinol

Outra propriedade importante das ligas com memória de forma é a pseudoelasticidade (também conhecida como superelasticidade), que se manifesta como uma capacidade de recuperação de deformação significativamente maior do que a dos metais comuns sob força externa. Ou seja, a grande deformação gerada durante o carregamento será recuperada após o descarregamento. Essa propriedade encontrou ampla aplicação na medicina, na redução de vibrações em edifícios e na vida cotidiana. Por exemplo, os ossos artificiais mencionados anteriormente, os dispositivos de pressão de fixação óssea e os aparelhos ortodônticos odontológicos. As armações de óculos feitas de ligas com memória de forma podem suportar deformações muito maiores do que os materiais comuns sem quebrar (isso não se deve ao efeito de memória de forma, em que a deformação é seguida de aquecimento para restaurar a forma).

As ligas com memória de forma (SMAs) têm amplas aplicações no campo da medicina clínica, como ossos artificiais, dispositivos de pressão para fixação óssea, aparelhos ortodônticos dentários, vários stents endovasculares, dispositivos de embolização, dispositivos de reparo cardíaco, filtros de trombos, fios-guia de intervenção e suturas cirúrgicas. As ligas com memória de forma desempenham uma função insubstituível na medicina moderna. As ligas com memória de forma também estão intimamente relacionadas à nossa vida cotidiana.

O desenvolvimento de ligas com memória de forma (SMAs) teve origem na descoberta de Arne Ölander, em 1932, do efeito de "memória" em ligas de ouro-cádmio. Em 1963, a equipe de Buehler no U.S. Naval Ordnance Laboratory confirmou esse fenômeno em ligas de níquel-titânio: materiais deformados plasticamente abaixo de sua temperatura de transição recuperam espontaneamente as formas originais quando aquecidos acima de um limite crítico (por exemplo, >40°C), impulsionados pela transformação inversa martensítica ativada termicamente. Os avanços industriais surgiram em 1969, com acoplamentos de tubulação de NiTi à prova de vazamentos em sistemas hidráulicos de aeronaves e uma antena lunar de NiTi pré-deformada que se expandiu automaticamente com o aquecimento solar durante a missão Apollo 11, superando as restrições de carga útil. Pesquisas posteriores desenvolveram sistemas de NiTi multicomponentes (por exemplo, TiNiCu, TiNiFe) juntamente com SMAs à base de cobre e ferro, possibilitando aplicações transformadoras em biomedicina, energia e automação.

Fig. 2 Estrutura cristalina do nitinol

A liga com memória de forma à base de Ti-Ni é a mais útil de todos os tipos de ligas com memória de forma. As propriedades exclusivas das ligas de níquel-titânio resultam da transformação de fase reversível entre a fase austenítica (alta temperatura/estado sem carga, estrutura cúbica estável) e a fase martensítica (baixa temperatura/estado com carga, estrutura hexagonal facilmente deformável). As principais características incluem: efeito de memória de forma (a deformação da martensita seguida de aquecimento até a temperatura crítica restaura a forma da fase original), superelasticidade não linear (a transformação da fase de martensita induzida por tensão permite 8% de deformação recuperável, rompendo as limitações da lei de Hooke), sensibilidade oral à temperatura (a força ortodôntica aumenta com o aumento da temperatura, acelerando o movimento do dente, mas dificultando o controle preciso), excelente biocompatibilidade (o óxido de titânio da superfície inibe a liberação de íons de níquel) e força ortodôntica de amortecimento de vibração suave (a plataforma da curva de descarga é plana, com amplitude de vibração de apenas 50% da do fio de aço inoxidável). Com base na regulação da transformação de fase, os fios ortodônticos evoluíram ao longo de cinco gerações: de fios metálicos tradicionais (década de 1940) → ligas estabilizadas por martensita (década de 1960, baixa rigidez, sem memória) → ligas ativadas por austenita (década de 1980, superelasticidade de força constante) → ligas ativadas por martensita (década de 1990, memória de forma e superelasticidade acionadas pela temperatura corporal, alcançando "ativação intraoral de forma em temperatura ambiente") → ligas termodinamicamente otimizadas (década de 2000, ativadas acima de 40°C, fornecendo força contínua extremamente fraca para pacientes com doença periodontal).

1.2 O apelo da SMA no campo da medicina

O apelo das ligas com memória de forma (SMAs) no campo da medicina está na sinergia exclusiva entre suas propriedades materiais e os requisitos clínicos.

As SMAs de grau médico, representadas pelo Nitinol (NiTi), apresentam uma composição quase equiatômica (50% de níquel e 50% de titânio). Ajustes precisos na composição permitem o controle da superelasticidade e dos efeitos de memória de forma. O nitinol superelástico sofre transformação martensítica induzida por tensão, proporcionando deformações recuperáveis de até 8,0% (Fig. 1). Sua curva de tensão-deformação exibe um platô distinto, superando o aço inoxidável 316 médico convencional.

As principais vantagens clínicas abrangem três dimensões:

1. Inovação funcional: A superelasticidade permite a miniaturização e a autoexpansão em dispositivos minimamente invasivos (por exemplo, stents vasculares, filtros);

2. Biocompatibilidade: O nitinol com superfície otimizada atende aos padrões de segurança biológica para implantes.

3. Avanço cirúrgico: Os dispositivos acionados por SMA (por exemplo, arcos ortodônticos, oclusores cardiovasculares/neurovasculares) aumentam a precisão do procedimento e reduzem o trauma tecidual.

Particularmente na radiologia intervencionista, a superelasticidade do nitinol aborda desafios críticos na flexibilidade do dispositivo, resistência à torção e adaptação dinâmica in vivo, impulsionando o progresso transformador em terapias minimamente invasivas. Este documento examina mais detalhadamente o potencial de aplicação médica da SMA e as estratégias de gerenciamento de risco para implantes de nitinol.

Fig. 3 Implantação de stent de nitinol

2 Fundamentos das ligas biomédicas com memória de forma

2.1 Principais tipos e componentes

As ligas à base de níquel-titânio, particularmente o nitinol binário (NiTi) com composição quase equiatômica (50% at.% Ni-Ti), constituem a base dos SMAs médicos devido à sua superelasticidade intrínseca (∼8% de deformação de recuperação) e memória de forma termicamente ativada. Os sistemas de ligas ternárias são projetados para atender às limitações clínicas: O NiTiNb amplia a histerese de transformação (ΔT≈30-100°C) para melhorar a estabilidade dimensional em dispositivos de fixação óssea, resistindo a flutuações térmicas; o NiTiCu reduz a histerese (ΔT≈2-10°C) para um controle preciso da resposta mecânica, permitindo o ajuste da força radial em escala milimétrica em stents vasculares; o NiTiCr eleva o potencial de pitting (+0,2V) e fortalece as camadas de passivação para suprimir a liberação de íons de níquel, reduzindo os riscos de alergia. Por outro lado, as ligas à base de cobre (por exemplo, Cu-Al-Ni, Cu-Zn-Al) oferecem eficiência de custo e temperaturas de transição ajustáveis, mas sofrem com a fragilidade intergranular (vida útil à fadiga <10^4 ciclos) e a liberação citotóxica de íons de cobre, o que impede o uso de implantes. Os sistemas à base de ferro (por exemplo, Fe-Mn-Si) apresentam alta resistência e preço acessível; no entanto, sua baixa deformação de recuperação (<2%) e a ausência de superelasticidade reversível restringem suas aplicações a dispositivos exploratórios e sem suporte de carga, sem nenhuma tradução clínica significativa até o momento.

Tabela 1 Comparação das propriedades de ligas com memória de forma feitas de diferentes materiais

2.2 Principais características e mecanismos

A transformação de fase martensítica é uma transformação de fase não difusiva, também conhecida como transformação de fase do tipo deslocamento. A rigor, em uma transformação de fase do tipo deslocamento, somente quando o deslocamento atômico ocorre por meio de deformação por cisalhamento, e a interface entre as duas fases é mantida por meio de deformação elástica macroscópica para garantir a continuidade e a congruência, e a energia de deformação é suficiente para alterar a cinética da transformação de fase e a morfologia dos produtos da transformação de fase, ela se qualifica como uma transformação de fase martensítica. Com base nas definições de transformação de fase martensítica propostas por vários estudiosos no passado, Xu Zuyao propôs a seguinte definição simples: uma transformação de fase na qual os átomos são substituídos sem difusão (ou seja, a composição permanece inalterada e as relações entre os átomos vizinhos permanecem inalteradas) e cisalhamento (ou seja, a fase-mãe e a martensita estão em uma relação posicional), alterando assim sua forma. Aqui, a transformação de fase refere-se a transformações de fase de primeira ordem (caracterizadas por mudanças repentinas de calor e volume, como reações exotérmicas e expansão) que envolvem nucleação e crescimento.

A martensita foi descoberta pela primeira vez no aço: quando o aço é aquecido a uma determinada temperatura e depois resfriado rapidamente, ele forma uma estrutura temperada que endurece e fortalece o aço. Em 1895, o francês Osmont batizou essa estrutura de martensita em homenagem ao metalúrgico alemão Martens. Inicialmente, apenas a transformação de fase de austenita para martensita no aço era chamada de transformação martensítica. Desde o século 20, um vasto conhecimento foi acumulado com relação às características das transformações da fase martensítica no aço. Posteriormente, descobriu-se que certos metais puros e ligas também apresentam transformações de fase martensítica, como: Ce, Co, Hf, Hg, La, Li, Ti, Tl, Pu, V, Zr e Ag-Cd, Ag-Zn, Au-Cd, Au-Mn, Cu-Al, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Tl, Ti-Ni, etc. Os produtos de transformações de fase com características básicas semelhantes às transformações de fase martensítica são coletivamente chamados de martensita.

As transformações de fase martensítica exibem efeitos térmicos e volumétricos, com o processo de transformação envolvendo a formação e o crescimento de núcleos. No entanto, não existe um modelo completo que explique como esses núcleos se formam e crescem. A taxa de crescimento da martensita é geralmente alta, com algumas atingindo até 10 cm-s. Especula-se que a configuração dos defeitos do cristal (como deslocamentos) na fase original influencie a nucleação da martensita. No entanto, atualmente, as técnicas experimentais não conseguem observar a configuração dos deslocamentos na interface da fase, de modo que todo o processo de transformação da fase martensítica ainda não está claro. Suas características podem ser resumidas da seguinte forma:

A transformação de fase martensítica é uma das transformações de fase não difusivas. Durante a transformação, não há caminhada aleatória ou salto ordenado de átomos pela interface. Portanto, a nova fase (martensita) herda a composição química, a ordem atômica e os defeitos cristalinos da fase original. Durante a transformação da fase martensítica, os átomos sofrem um deslocamento ordenado enquanto mantêm suas posições relativas com os átomos vizinhos. Esse deslocamento é do tipo cisalhamento. O resultado do deslocamento atômico é a tensão (ou deformação) da rede. Esse deslocamento de cisalhamento não apenas altera a estrutura da rede da fase original, mas também causa mudanças macroscópicas na forma. Se uma linha reta for primeiramente desenhada na superfície de um espécime polido, como PQRS na Figura 3a, e parte do espécime (A1B1C1D1-A2B2C2D2) passar por uma transformação de fase martensítica (formando martensita), a linha reta PQRS será dobrada em três linhas retas conectadas: PQ, QR' e R'S'. Os planos A1B1C1D1 e A2B2C2D2 na interface de duas fases permanecem livres de deformação e sem rotação, chamados de plano habitual (precipitação). Essa mudança de forma é chamada de deformação plana constante (Figura 3). A mudança de forma faz com que se formem saliências na superfície do corpo de prova, que foi polida previamente. As saliências superficiais de martensita em aço com alto teor de carbono podem ser observadas quando a martensita se forma, com a inclinação ocorrendo na superfície que cruza com a martensita. Sob um microscópio de interferência, a altura das saliências e suas bordas afiadas podem ser vistas.

O efeito de memória de forma se refere ao fenômeno em que, após a deformação de uma liga que sofre transformação de fase martensítica, quando aquecida até a temperatura de conclusão da transformação de fase austenítica (Af), a martensita de baixa temperatura reverte para a fase-mãe de alta temperatura e retorna à sua forma original antes da deformação ou, durante o resfriamento subsequente, retorna à forma de martensita por meio da liberação de energia elástica interna. É um material sólido com uma determinada forma que, após sofrer deformação plástica sob determinadas condições, retorna completamente à sua forma original antes da deformação quando aquecido a uma determinada temperatura. Ou seja, ele pode lembrar a forma da fase original.

A transformação martensítica constitui a base física do efeito de memória de forma por meio de um mecanismo termoelástico reversível de reconstrução de cristal. Após o resfriamento abaixo da temperatura inicial da martensita (Ms), a fase de austenita de alta temperatura (estrutura cúbica) sofre cisalhamento sem difusão para formar martensita metaestável (estrutura monoclínica/hexagonal), gerando gêmeos autoacomodáveis sem mudança de forma macroscópica. A tensão externa abaixo de Mf induz a migração do limite de gêmeos e a reorientação de variantes, produzindo deformações pseudoplásticas de até 8%. O aquecimento subsequente acima da temperatura inicial da austenita (As) desencadeia o deslocamento atômico cooperativo para a transformação inversa, em que a recuperação da estrutura cristalina impulsiona a restauração da forma macroscópica - a essência do efeito de memória de forma. Esse processo se baseia em três atributos essenciais:

① Reversibilidade (a energia de distorção da rede quase nula ΔG garante a exclusividade do caminho);

② Histerese estreita (10-30°C em ligas de NiTi permite uma ativação precisa em temperatura corporal);

③ Deformação não destrutiva (a geminação substitui o deslizamento de deslocamento para evitar danos permanentes). Do ponto de vista médico, esse mecanismo permite que os stents autoexpansíveis recuperem configurações predefinidas à temperatura do corpo, enquanto o rearranjo gêmeo martensítico absorve vibrações de cargas fisiológicas (por exemplo, amortecimento 50% maior em fios ortodônticos). Sua estabilidade cíclica (>10^7 ciclos) garante ainda mais a confiabilidade de longo prazo em implantes como válvulas cardíacas.

Fig. 4 Efeito de memória de forma

2.3 Principais parâmetros de desempenho

A viabilidade clínica das ligas médicas de NiTi depende da sinergia da biocompatibilidade, das propriedades mecânicas, dos processos de fabricação e da compatibilidade da esterilização. De acordo com a norma ISO 10993, a biocompatibilidade se concentra na supressão da liberação de íons de níquel (a passivação de TiO2 na superfície reduz a lixiviação para <0,1 μg/cm^2/semana), validada pela citotoxicidade (>90% de viabilidade celular), sensibilização (≥95% de testes de contato negativos) e hemólise (<5%). As propriedades mecânicas devem estar alinhadas com as demandas de implantação: os stents cardiovasculares exigem vida útil de fadiga por flexão rotativa ultra-alta (>4×10^8 ciclos a 37°C), enquanto os implantes de articulações exigem resistência ao desgaste (<0,1 mm3/Mc de taxa de desgaste); a rigidez superelástica (0,5-3 GPa) deve corresponder precisamente à mecânica do tecido hospedeiro. A fabricação emprega refusão a arco a vácuo (VAR) para aumentar a pureza (tamanho de inclusão ≤5 μm), trefilação a frio + envelhecimento para ajustar as temperaturas de transformação (Af±2°C) e corte a laser/eletropolimento para obter características em escala de mícrons (suportes de stent de 80-150 μm) com baixa rugosidade (Ra<0,05 μm). A esterilização terminal (óxido de etileno/irradiação gama) deve limitar o desvio da transição de fase a <1°C sem comprometer o funcionamento.

3 Aplicações em áreas biomédicas

3.1 Ortopedia

Atualmente, a cirurgia ortopédica usa principalmente placas de aço fixas feitas de liga de titânio. Entretanto, a liga de titânio não tem propriedades autoadaptativas e superelásticas, e seu ajuste aos ossos não é ideal. Em contraste, as ligas com memória de forma de níquel-titânio impressas em 4D, com seus recursos de autoadaptação, podem obter um ajuste relativamente perfeito com os ossos e, ao mesmo tempo, fornecer funções de suporte e reparo.

Esses materiais de reparo ortopédico de liga com memória de forma não são apenas placas planas; suas superfícies são densamente perfuradas com pequenos orifícios, facilitando a troca de nutrientes e promovendo o crescimento e o reparo ósseo. Vários componentes adaptativos de níquel-titânio impressos em 4D foram implantados clinicamente em pacientes voluntários com tumores ósseos, produzindo resultados clínicos promissores.

No reparo de defeitos ósseos, são usados scaffolds de NiTi com estrutura porosa graduada, com resistência à tração de 625,6 MPa, taxa de alongamento de 14,67% e taxa de recuperação de deformação de 99,51%. O reforço de grão fino (tamanho de grão de aproximadamente 20,5 μm) sinergiza com a densidade de deslocamento para obter absorção de energia sob alta tensão. Substituição e reparo de articulações: dispositivos de fixação do copo acetabular, componentes de articulações artificiais (em exploração, com foco em desgaste e fadiga) e preenchimentos de defeitos ósseos (SMA poroso).

No campo da cirurgia da coluna vertebral, as ligas com memória de forma (SMAs), especialmente as ligas de níquel-titânio (NiTi), impulsionaram inovações em ortopedia dinâmica e técnicas de fusão minimamente invasivas. As hastes ortopédicas de NiTi alcançam uma correção precisa por meio de um efeito de memória de forma de dois estágios: em baixas temperaturas na fase martensítica, as hastes sofrem deformação plástica para acomodar os procedimentos cirúrgicos; uma vez implantadas no corpo, a temperatura corporal desencadeia uma transformação de fase austenítica, restaurando a curvatura predefinida e aplicando continuamente uma força corretiva axial (por exemplo, uma haste de 6 mm de diâmetro gera aproximadamente 200 N de força a 40 °C, enquanto uma haste de 9 mm atinge 500 N). Experimentos em animais (modelos de cabras) mostraram que as hastes de NiTi pré-curvadas podem reduzir os ângulos de escoliose de 41° para 11° sem causar danos aos nervos; estudos em cadáveres humanos confirmaram ainda mais sua capacidade de corrigir simultaneamente deformidades coronais, sagitais e rotacionais. Em termos de projeto de inovação clínica, as hastes retangulares/quadrangulares aumentam a capacidade antirrotacional, corrigindo o ângulo de Cobb de 57,8° para 17,8° sem nenhuma recorrência observada em um período de acompanhamento de 4 anos; o sistema acionado pela temperatura corporal usa pulsos de radiofrequência (450 Hz) para induzir o aquecimento local, evitando os riscos associados aos danos térmicos tradicionais.

O desenvolvimento de dispositivos de fusão intervertebral se concentra na implantação minimamente invasiva e na estabilidade de longo prazo. Utilizando as propriedades de transformação de fase do NiTi, o dispositivo de fusão pode sofrer deformação por compressão em um estado martensítico de baixa temperatura (por exemplo, em um ambiente de água gelada) e restaurar automaticamente sua altura original após a implantação no espaço intervertebral por meio da transformação de fase austenítica acionada pela temperatura corporal. Em termos de otimização da estrutura porosa, as redes em forma de diamante (porosidade de 70 a 72%, rede unitária de 1,5 mm) produzidas usando a tecnologia de fusão seletiva a laser (SLM) promovem significativamente o crescimento vascular. A zona de contato foi projetada com uma fase martensítica (baixo módulo de elasticidade) para reduzir efetivamente a proteção contra o estresse da placa terminal. Além disso, a estrutura de "dentes de travamento" nas bordas do dispositivo de fusão se incorpora às placas terminais durante a recuperação da forma, alcançando uma resistência anti-deslocamento de 1800 N, eliminando a necessidade de parafusos ou hastes auxiliares para fixação e simplificando ainda mais o procedimento cirúrgico.

No campo do tratamento de fraturas, as ligas com memória de forma (SMAs) melhoraram significativamente os resultados de fixação e o prognóstico do paciente por meio de compressão dinâmica, implantação minimamente invasiva e tecnologia de adaptação biomecânica. As hastes intramedulares do tipo compressão contínua utilizam o efeito de memória de forma de dois estágios da liga de NiTi. Depois de serem pré-deformadas no estado martensítico de baixa temperatura, elas são implantadas na cavidade medular. Após o reaquecimento à temperatura corporal, eles retornam à sua forma original e geram estresse compressivo axial (0,5-1 MPa), acelerando assim a formação de calo ósseo. Estudos clínicos comparativos mostram que, em comparação com as placas de aço tradicionais, o grupo de hastes intramedulares de NiTi reduz o tempo de consolidação da fratura em 25% e a taxa de não união para 0,9%. Suas características minimamente invasivas (por exemplo, implantação por meio de uma incisão de 2 cm para fraturas de membros pediátricos, com um diâmetro selecionado em 2/5 do ponto mais estreito da cavidade medular) melhoram ainda mais a amplitude de movimento da articulação no pós-operatório em 30%.

Os parafusos ósseos autocompressivos e os enxertos ósseos alcançam a fixação ativa por meio de um mecanismo de mudança de fase. O parafuso ósseo é parafusado no osso no estado martensítico e, após o reaquecimento, expande-se radialmente, aumentando a tensão da interface em 40% e melhorando significativamente a força de retenção; quando o fixador de anel de TiNi é usado para a fixação do esterno, a pontuação de dor EVA pós-operatória diminui para 5,17 ± 1,14 (7,65 ± 1,08 no grupo tradicional). A permanência no hospital é reduzida em 6 dias. Além disso, os fixadores ósseos biodegradáveis de liga de magnésio (com módulo de elasticidade de 45 GPa, semelhante ao osso cortical) alinham-se ao ciclo de cicatrização óssea (taxa de 100% de cicatrização em um acompanhamento de 6 meses), eliminando a necessidade de cirurgia de remoção secundária e fornecendo uma nova direção para a aplicação prática de materiais biodegradáveis na fixação de fraturas.

As placas de compressão bloqueadas (LCP) otimizadas com NiTi abordaram os desafios de fixação em pacientes osteoporóticos por meio de um design adaptado biomecanicamente. As placas revestidas com NiTi permitiram o travamento cortical único (dois parafusos em cada lado das extremidades da fratura), reduzindo a densidade de parafusos em 50%, e interligaram zonas cominutivas por meio do efeito de "andaime de fixação interna". Combinadas com a tecnologia de implante minimamente invasiva (MIPPO), as placas LCP pré-dobradas são inseridas submuscularmente e travadas com parafusos percutâneos, reduzindo a interrupção do suprimento de sangue em 70%, o que é particularmente adequado para fraturas em áreas com suprimento de sangue deficiente, como a tíbia distal.

As ligas com memória de forma (SMAs) alcançaram um progresso revolucionário na ortopedia, desde a correção dinâmica até a biocompatibilidade, devido ao seu efeito exclusivo de memória de forma e superelasticidade. Na correção da coluna vertebral, as ligas de NiTi alcançam um tratamento preciso por meio de um efeito de memória de forma de dois estágios: hastes de correção com deformação plástica no estado martensítico de baixa temperatura são implantadas por meio de túneis subcutâneos, e a temperatura do corpo desencadeia uma transformação de fase austenítica para restaurar a curvatura predefinida, gerando 200 a 500 N de força corretiva axial (diâmetro de 6 a 9 mm). Combinado com o design retangular/quadrado para aumentar a capacidade antirrotação (por exemplo, o sistema Wang reduz o ângulo Cobb de 57,8° para 17,8°), corrigindo simultaneamente as deformidades coronais, sagitais e rotacionais; a tecnologia de aquecimento por pulso de radiofrequência (450 Hz) minimiza ainda mais o risco de lesão térmica. Os dispositivos de fusão intervertebral utilizam as propriedades de transformação de fase para implantação minimamente invasiva: após a compressão em baixa temperatura, o volume é reduzido em 40% e, após a implantação no espaço intervertebral, a altura é restaurada automaticamente; a estrutura porosa em forma de diamante (porosidade de 70 a 72%) preparada por fusão seletiva a laser promove o crescimento vascular, a zona de contato martensítico reduz a proteção contra o estresse da placa terminal e os "dentes de travamento" da borda fornecem 1800 N de resistência antideslocamento sem a necessidade de fixação auxiliar.

No campo da fixação de fraturas, as SMAs otimizam significativamente a eficácia terapêutica por meio da compressão dinâmica e da adaptação biomecânica. Pregos intramedulares de NiTi pré-deformados retornam ao seu estado original à temperatura do corpo, gerando estresse compressivo axial de 0,5-1 MPa, acelerando a formação de calo (tempo de cicatrização reduzido em 25%, taxa de não união de 0,9%); pregos intramedulares elásticos implantados por meio de uma incisão de 2 cm em fraturas de membros pediátricos melhoram a amplitude de movimento da articulação em 30% no pós-operatório. Parafusos ósseos de autocompressão utilizam a transformação de fase martensita-austenita para obter expansão radial (a tensão da interface aumentou em 40%); fixadores de anel de TiNi reduzem os escores VAS para 5,17 ± 1,14 após a cirurgia de fixação esternal (grupo tradicional: 7,65 ± 1,08), com uma redução de 6 dias na permanência hospitalar; fixadores ósseos de liga de magnésio biodegradável (módulo de elasticidade de 45 GPa) são completamente absorvidos em 6 meses, atingindo uma taxa de cicatrização de 100% e evitando a necessidade de cirurgia secundária. As placas de compressão com travamento otimizadas para NiTi reduzem a densidade do parafuso em 50% por meio do travamento cortical único (para pacientes osteoporóticos) e, combinadas com a tecnologia MIPPO, reduzem a interrupção do suprimento de sangue em 70%, tornando-as adequadas para fraturas complexas, como as fraturas distais da tíbia.

As principais vantagens estão na profunda integração das propriedades do material e das necessidades clínicas: a implantação minimamente invasiva (hastes de correção da coluna vertebral por meio de túneis subcutâneos, dispositivos de fusão com volume 40% reduzido) reduz o risco de lesão nervosa; o estresse compressivo dinâmico (expressão de BMP-2 aumentada em 2 vezes) e o amortecimento superelástico (amplitude de vibração 50% do aço inoxidável) otimizam o microambiente de cicatrização óssea; os dispositivos de fusão de NiTi poroso (módulo elástico de 25 a 90 GPa) e as ligas de magnésio biodegradáveis (100% de transferência de carga para o novo osso) reduzem significativamente a proteção contra o estresse. Essas inovações permitem um salto da fixação passiva para a regulação ativa e do suporte rígido para a biocompatibilidade por meio de mecanismos de mudança de fase, otimização estrutural e tecnologia biodegradável, proporcionando soluções mais seguras e eficientes para o tratamento de doenças esqueléticas complexas.

Fig. 5 Raio X de escoliose com haste espinhal de nitinol

3.2 Intervenções cardiovasculares

No campo da intervenção cardiovascular, as ligas com memória de forma (SMAs) impulsionaram inovações tecnológicas em stents vasculares, oclusores e filtros, aproveitando seus efeitos de superelasticidade e memória de forma. Os stents vasculares autoexpansíveis, uma aplicação típica da superelasticidade, aproveitam as propriedades de transformação de fase das ligas de NiTi para permitir um tratamento minimamente invasivo: o stent é comprimido no sistema de entrega (diâmetro de 1 a 2 mm) em seu estado martensítico de baixa temperatura e, em seguida, é entregue por meio de um cateter no local afetado. A temperatura do corpo desencadeia a transformação da fase austenítica, fazendo com que o stent restaure automaticamente seu diâmetro predefinido (por exemplo, força de suporte radial de 0,35 N/mm para stents coronários), eliminando a necessidade de expansão por balão de alta pressão. Sua flexibilidade é otimizada por meio de processos de corte ou tecelagem a laser, com rigidez de flexão tão baixa quanto 0,3-0,5 N-m^2, permitindo a adaptação a estruturas anatômicas complexas, como o arco aórtico. Além disso, a resistência à fadiga das ligas de NiTi (por exemplo, o stent Eduratec suporta 100 milhões de ciclos pulsáteis) garante estabilidade a longo prazo, tornando-o adequado para vários locais, incluindo vasos periféricos, artérias coronárias, vasos cerebrais e aorta.

O oclusor utiliza o efeito de memória de forma de fase dupla do SMA para obter um tratamento preciso: Os oclusores de defeito do septo atrial, forame oval patente ou persistência do canal arterial têm um formato linear reto no estado martensítico de baixa temperatura. Depois de serem introduzidos na cavidade cardíaca por meio de um cateter, a temperatura corporal aciona sua restauração em uma estrutura de disco-cintura-disco, com a cintura embutida no local do defeito e os discos duplos ancorando os lados esquerdo e direito do átrio/arterial, obtendo uma oclusão minimamente invasiva. Os dados clínicos mostram que os oclusores de NiTi podem reduzir os escores de dor EVA pós-operatória em pacientes com persistência do canal arterial para 2,1 ± 0,8 (em comparação com 5,3 ± 1,2 com a cirurgia tradicional) e encurtar a permanência no hospital para 3 dias. Seu design superelástico (com uma taxa de recuperação de tensão de 99,2%) pode se adaptar à deformação dinâmica da contração e do relaxamento cardíaco, reduzindo o risco de desvio residual.

O filtro de veia cava inferior otimiza o tratamento de tromboembolismo venoso por meio da resistência da liga de NiTi à flexão e à capacidade de captura de trombos: o filtro permanece comprimido dentro da bainha de entrega e, ao ser liberado, conta com sua superelasticidade para restaurar sua estrutura em forma de guarda-chuva. O design da abertura da malha do filtro (normalmente de 1 a 2 mm) pode interceptar mais de 95% dos trombos e, ao mesmo tempo, permitir o fluxo sanguíneo normal. A vida útil à fadiga da liga de NiTi (por exemplo, taxa de fratura do filtro <1% em 5 anos de acompanhamento) garante a segurança em longo prazo, enquanto seu baixo módulo de elasticidade (40-60 GPa) reduz a irritação da parede vascular e diminui a incidência de flebite.

Esses dispositivos fazem uma transição do suporte passivo para a adaptação ativa e da cirurgia aberta para a intervenção minimamente invasiva por meio do mecanismo de mudança de fase e da otimização estrutural da SMA. Suas principais vantagens incluem: um equilíbrio entre a flexibilidade e a força de suporte radial proporcionado pela superelasticidade (por exemplo, rigidez de flexão do stent coronário de 0,4 N-m^2, força radial de 0,35 N/mm), posicionamento e implantação precisos obtidos por meio de efeitos de memória de forma (por exemplo, erro de posicionamento do oclusor <1 mm) e estabilidade de longo prazo possibilitada pela adaptação biomecânica (por exemplo, taxa de patência do filtro de 98% após 5 anos). Essas inovações oferecem opções de tratamento mais seguras e eficientes para doenças cardiovasculares.

Fig. 6 Oclusor cardíaco

3.3 Odontologia

No campo da medicina oral, as ligas com memória de forma (SMAs) impulsionaram inovações tecnológicas em ortodontia, endodontia, prótese e cirurgia maxilofacial devido à sua superelasticidade e biocompatibilidade. Os fios ortodônticos, uma das aplicações mais consagradas, utilizam a superelasticidade das ligas de NiTi para fornecer forças corretivas contínuas e suaves (0,5 a 1,5 N), reduzindo significativamente a frequência das visitas de acompanhamento (dados clínicos mostram que os intervalos de acompanhamento podem ser estendidos para 8 a 12 semanas, uma melhoria de 40% em relação aos fios de aço inoxidável tradicionais) e, ao mesmo tempo, aumentando o conforto do paciente (escores da Escala Visual Analógica [VAS] reduzidos para 2,3 ± 0,6, em comparação com 4,8 ± 1,1 para fios tradicionais). Os fios com diferentes temperaturas de transição de fase podem ser adaptados a diferentes estágios do tratamento: os fios da fase martensítica de baixa temperatura (Af < 25°C) são adequados para o estágio inicial de alinhamento, utilizando baixa rigidez (módulo de elasticidade de 28 GPa) para reduzir os danos ao ligamento periodontal; os fios da fase austenítica (Af > 35°C) fornecem força ortodôntica estável em estágios posteriores, garantindo a eficácia do tratamento por meio de uma taxa de recuperação de deformação de 99,3%.

As limas de NiTi para canal radicular otimizam a segurança do tratamento por meio da superelasticidade: As limas tradicionais de aço inoxidável, devido à sua alta rigidez, são propensas ao desvio do canal radicular (taxa de incidência de 12 a 18%) e à quebra da agulha (risco de 3 a 5%). Em contrapartida, as propriedades de transformação de fase martensítica das limas de NiTi aumentam a flexibilidade em três vezes nos canais radiculares curvos, permitindo a adaptação a canais com curvaturas superiores a 30°, reduzindo significativamente as taxas de desvio (<2%) e de quebra de agulha (<0,5%). Estudos clínicos mostram que a taxa de sucesso do tratamento de canais radiculares em uma única visita usando limas de NiTi chega a 92%, uma melhoria de 25% em relação às limas de aço inoxidável, particularmente adequadas para canais radiculares calcificados ou estreitos.

Os grampos e conectores de NiTi na restauração de dentaduras alcançam um equilíbrio entre a força de retenção e o conforto por meio da superelasticidade: O fecho é fácil de ajustar no estado martensítico de baixa temperatura e retorna à sua forma predefinida após o reaquecimento por meio da transformação da fase austenítica, aumentando a força de retenção para 3-5 N (em comparação com 1-2 N para ligas tradicionais de cobalto-cromo). Além disso, o baixo módulo de elasticidade (40-60 GPa) reduz a pressão sobre a gengiva (distribuição de pressão mais uniforme, com uma redução de 60% no índice de irritação da mucosa). O conector apresenta um design de estrutura trançada com excelente resistência à fadiga (sem fraturas após 10^5 ciclos), o que o torna adequado para sistemas de fixação de precisão em próteses parciais removíveis.

Na cirurgia maxilofacial, as talas de fixação de fraturas e os dispositivos de tração utilizam o efeito de memória de forma da SMA para tratamento minimamente invasivo: a tala é moldada em baixas temperaturas para se adaptar à superfície óssea e, após o reaquecimento, a transformação de fase gera uma força de fixação de 50 a 100 N, evitando danos aos tecidos moles causados pela ligação tradicional com fios; o dispositivo de tração consegue um ajuste progressivo do segmento ósseo por meio do controle periódico da temperatura (por exemplo, ativação a 40°C e relaxamento a 20°C). Os casos clínicos mostram que o tempo de cicatrização da fratura mandibular é reduzido para 6 semanas (8 a 10 semanas com os métodos tradicionais), e não é necessária nenhuma cirurgia secundária para remover os dispositivos de fixação interna.

As aplicações acima dão um salto da adaptação passiva para a regulação ativa e dos dispositivos rígidos para a adaptação flexível por meio da profunda integração do mecanismo de transição de fase da SMA com as necessidades clínicas. Suas principais vantagens incluem: força leve e sustentada fornecida pela superelasticidade (erro de força de correção ortodôntica <0,2N), recuperação precisa da forma obtida por meio de efeitos de memória de forma (erro de posicionamento do anel <0,5 mm) e maior segurança do tratamento por meio da adaptação biomecânica (taxa de quebra da agulha do tratamento do canal radicular <0,5%). Essas inovações oferecem soluções mais eficientes e confortáveis para o tratamento de doenças bucais.

Fig. 7 Lima endodôntica de nitinol

3.4 Radiologia intervencionista e cirurgia minimamente invasiva

Em procedimentos intervencionistas e operações cirúrgicas minimamente invasivas, as ligas com memória de forma (SMAs) aumentam significativamente a capacidade de manobra e adaptação dos dispositivos médicos por meio de seus efeitos de superelasticidade e memória de forma. Os fios-guia e cateteres superelásticos, aproveitando as propriedades de transformação de fase das ligas de NiTi, demonstram desempenho excepcional em estruturas anatômicas complexas: Os fios-guia apresentam alta flexibilidade (raio de curvatura <1 mm) no estado martensítico de baixa temperatura, permitindo a adaptação ao curso espiralado de 360° das artérias coronárias; após o reaquecimento, a transformação da fase austenítica confere alta resistência à fratura (tensão de fratura >8%), combinada com o design em forma de "J" na extremidade distal do fio-guia, permitindo o controle preciso do torque (eficiência de transmissão de torque de até 95%). O cateter otimiza a flexibilidade da ponta por meio da tecnologia de corte a laser, permitindo que um cateter 5F atravesse suavemente o segmento tortuoso da artéria carótida (raio de curvatura de 2 mm). A estrutura superelástica fornece suporte suficiente (força axial de 12 N) para evitar danos vasculares causados pelo "efeito boca de peixe".

Os instrumentos de preensão e retirada de pedras, como cestas de pedras e pinças de corpos estranhos, utilizam o efeito de memória de forma de dois estágios da SMA para procedimentos minimamente invasivos: Os instrumentos mantêm uma forma linear reta no estado martensítico de baixa temperatura. Depois de serem entregues ao local-alvo por meio do canal endoscópico, a temperatura corporal aciona sua restauração para a estrutura de cesta predefinida (por exemplo, design de quatro garras), permitindo a recuperação de pedras ou corpos estranhos com diâmetros que variam de 2 a 10 mm. A taxa de recuperação da tensão chega a 99,5%, garantindo uma taxa de sucesso de recuperação única superior a 90%. Os dados clínicos mostram que a litotripsia ureteroscópica (URSL) usando cestas de pedras de NiTi reduz o tempo do procedimento para 25 minutos (em comparação com 40 minutos com os métodos tradicionais), com uma taxa de pedras residuais pós-operatórias <5%.

As bobinas de embolização de aneurisma otimizam a eficácia do empacotamento por meio de efeitos parciais de memória de forma: As bobinas são comprimidas dentro do microcateter (diâmetro de 0,015-0,021 polegadas) e, após a liberação, adaptam-se à morfologia da cavidade do aneurisma por meio de superelasticidade (densidade de empacotamento >30%). Além disso, a força de restauração gerada pela transformação da fase martensítica reduz o risco de deslocamento da bobina (taxa de recorrência <2% em um ano de acompanhamento). Para aneurismas de colo largo, as bobinas de NiTi com uma estrutura tridimensional tecida podem formar uma "cesta" estável, combinada com a tecnologia assistida por stent, para aumentar a densidade de embolização para 95%.

Endoscópios deformáveis e retratores autoexpansíveis simplificam o processo cirúrgico por meio da capacidade de deformação ativa da SMA: a seção de inserção do endoscópio usa uma estrutura de tubo espiral de liga de NiTi que retorna automaticamente a um ângulo de flexão predefinido (por exemplo, 90°) à temperatura do corpo, reduzindo a necessidade de um tratamento cirúrgico, 90°) à temperatura corporal, reduzindo a necessidade de ajustes manuais de flexão pelo cirurgião; o retrator autoexpansível é comprimido e carregado a baixas temperaturas e, ao ser liberado, expande rapidamente o campo cirúrgico usando superelasticidade (tempo de expansão <5 segundos), evitando a compressão contínua do tecido causada pelos retratores tradicionais (com uma melhoria de 40% na uniformidade da distribuição da pressão). Esses designs aumentam o espaço operacional em 30% na colecistectomia laparoscópica (CL) e em outras cirurgias, reduzindo o tempo de cirurgia para 35 minutos (50 minutos com métodos tradicionais).

Os instrumentos mencionados acima dão um salto da operação passiva para a adaptação ativa e do controle linear para a regulação tridimensional por meio da profunda integração do mecanismo de mudança de fase da SMA com as necessidades clínicas. Suas principais vantagens incluem: uma combinação equilibrada de propriedades antidobra e flexibilidade proporcionada pela superelasticidade (tensão de ruptura do fio de 8% vs. 3% para aço inoxidável), recuperação precisa da forma obtida por meio de efeitos de memória de forma (erro de posicionamento da cesta de pedras <1 mm) e efeitos minimamente invasivos possibilitados pela adaptação biomecânica (diâmetro de inserção do endoscópio reduzido para 2,8 mm). Essas inovações oferecem soluções mais seguras e eficientes para procedimentos intervencionistas e cirúrgicos complexos.

Fig. 8 Cesta de pedras de nitinol

6 Conclusão

As ligas com memória de forma (SMAs), especialmente as ligas de níquel-titânio (NiTi), demonstram um valor único e insubstituível na área médica devido à sua superelasticidade e ao efeito de memória de forma (SME). Sua superelasticidade proporciona forças corretivas suaves e sustentadas - por exemplo, os fios ortodônticos reduzem a frequência de visitas de acompanhamento - e se adaptam bem a estruturas anatômicas complexas, como a otimização da flexibilidade de stents cardiovasculares. Enquanto isso, o efeito de memória de forma permite a implantação minimamente invasiva e a deformação ativa de dispositivos médicos. Por exemplo, as talas de fixação de fraturas podem restaurar o estresse compressivo à temperatura do corpo. Essas propriedades abordam diretamente os pontos problemáticos clínicos, incluindo rigidez insuficiente, procedimentos operacionais complexos e baixa eficácia de longo prazo dos dispositivos tradicionais.

Olhando para o futuro, com os avanços tecnológicos em SMA biodegradável (como ligas de magnésio) e dispositivos ativos (como dispositivos de recuperação acionados eletricamente), a SMA está pronta para desempenhar um papel mais revolucionário em dispositivos médicos inteligentes, terapia personalizada e cirurgia minimamente invasiva - por exemplo, andaimes impressos em 3D personalizados para a estrutura anatômica de um paciente e implantes inteligentes que podem responder em tempo real a sinais fisiológicos. Esses avanços impulsionarão ainda mais a transição da medicina de "reparo passivo" para "regulação ativa", alcançando, em última análise, um tratamento de doenças mais seguro, eficiente e personalizado.

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As 6 principais aplicações médicas do nitinol

Referências

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