Caracterização eletroquímica e biológica do Ti

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 2312 (2023) Citar este artigo

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O desempenho das atuais ligas biomédicas de titânio é limitado por condições inflamatórias e inflamatórias graves após a implantação. Neste estudo, uma nova liga de Ti – Nb – Zr – Si (TNZS) foi desenvolvida e comparada com titânio comercialmente puro e liga de Ti – 6Al – 4V. Os parâmetros eletroquímicos das amostras foram monitorados durante 1 hora e 12 horas de imersão em solução salina tamponada com fosfato (PBS) como meio normal, PBS/peróxido de hidrogênio (H2O2) como meio inflamatório e PBS/H2O2/albumina/lactato como meio inflamatório grave. Os resultados mostraram um efeito do H2O2 em condições inflamatórias e o comportamento sinérgico de H2O2, albumina e lactato em condições inflamatórias graves no sentido de diminuir a resistência à corrosão de biomateriais de titânio. Testes eletroquímicos revelaram uma resistência à corrosão superior do TNZS em todas as condições devido à presença de fases siliceto. O TNZS desenvolvido foi testado para posterior investigação em cultura celular para compreender sua natureza de biocompatibilidade. Exibiu interações células-materiais favoráveis ​​​​in vitro em comparação com Ti – 6Al – 4V. Os resultados sugerem que a liga TNZS pode ser um biomaterial competitivo para aplicações ortopédicas.

A demanda por implantes artificiais vem crescendo à medida que aumenta a população idosa nos diversos países1. Aproximadamente 80% dos dispositivos de implantes comerciais são feitos de biomateriais metálicos para correção de deformidades no sistema esquelético2,3. O titânio comercialmente puro (CP-Ti, Grau 2, UNS R50400) é convencionalmente usado como biomateriais metálicos em dispositivos odontológicos, substituições ortopédicas articulares e stents cardiovasculares devido à sua resistência à corrosão adequada e biocompatibilidade satisfatória4. O CP-Ti não possui todas as propriedades desejáveis ​​para implantes biomédicos, portanto a liga Ti-6Al-4V (também conhecida como liga Grau 5, UNS R56400) com maior resistência também é a mais amplamente utilizada5. No entanto, há uma preocupação crescente com a corrosão e a eluição correspondente de alumínio e vanádio que têm efeitos tóxicos e colaterais em aplicações de longo prazo6,7 e novas ligas de titânio melhoradas com menor módulo de elasticidade, maior resistência e desempenho biológico superior estão sendo desenvolvidas7, 8.

Uma das ligas desenvolvidas sem alumínio e vanádio é baseada no sistema Ti – Nb – Zr (UNS R58130 da ASTM F1713) possui mais elementos biocompatíveis de Nb e Zr e menor módulo de Young na faixa de 60–80 GPa9,10,11 . A combinação de Nb e Zr nesta liga resultou em uma estrutura próxima da fase β-Ti mais resistente à corrosão do que as fases α-Ti e β-Ti, mas não atingiu o nível desejado de resistência à biocorrosão sem comprometer sua reatividade às células . Entre outros possíveis aditivos, o silício tem sido considerado um elemento vital no corpo humano para reações biológicas, fornecendo uma força motriz para o crescimento e desenvolvimento de novos ossos e tecidos conjuntivos13,14.

Após a implantação de um biomaterial, o sistema imunológico do corpo é ativado para proteger o hospedeiro contra infecções e danos teciduais, adicionalmente complicados com uma reação de corpo estranho15,16 e deposição superficial de várias biomoléculas e proteínas, como a albumina17. Os leucócitos aumentam seu consumo de oxigênio utilizando a explosão respiratória para produzir espécies reativas de oxigênio (ERO), ácido lático, incluindo peróxido de hidrogênio (H2O2) e seus derivados, e ácido hipocloroso (HOCl) no meio extracelular16,18,19,20. Para o tecido ósseo, os osteoclastos também expressam HCl que juntos criam um ambiente ácido oxidativo com diminuição do pH de neutro para 5 e inferior durante a inflamação18. Na condição inflamatória grave, neutrófilos, macrófagos e microrganismos podem criar um meio muito oxidativo e ácido com pH ⁓ 2–3 ao redor do implante, suficiente até mesmo para dissolver materiais muito resistentes como o ouro21. A película protetora passiva do titânio nessas condições começa a sofrer degradação, acelerando a taxa de corrosão e causando rugosidade superficial e formação de composto TiOOH poroso intensamente hidratado22,23,24,25. Estudos recentes mostraram que a combinação de albumina e H2O2 acelerou a taxa de corrosão do CP-Ti e Ti-6Al-4V26,27 e a presença de ácido láctico e H2O2 diminuiu consideravelmente a resistência à corrosão28,29. Como resultado do complicado ambiente in vivo, a corrosão dos implantes de Ti pode ser consideravelmente acelerada, resultando numa vida útil do implante significativamente mais curta e num maior risco de falhas30,31. Portanto, são necessários aditivos de liga adequados para ligas de titânio de alto desempenho para evitar falhas de implantes em condições inflamatórias. O silício foi introduzido em algumas ligas à base de Ti , mas ainda não foi suficientemente analisado quando adicionado ao sistema Ti – Nb – Zr. Portanto, há interesse em avaliar a liga Ti – Nb – Zr – Si como material potencial para aplicações ortopédicas.