Os biomateriais de titânio são imediatamente e totalmente repassivados? Uma perspectiva

npj Materials Degradation volume 6, Número do artigo: 57 (2022) Citar este artigo

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O titânio e suas ligas têm sido amplamente utilizados para aplicações clínicas devido à sua biocompatibilidade e excepcional inércia química, além de suas excelentes características de osseointegração. Eles são bem conhecidos por formar uma película protetora robusta na superfície que fornece uma alta resistência à corrosão com o ambiente circundante. Embora esse estado passivo de materiais à base de titânio seja frequentemente considerado alcançado muito rapidamente, mesmo quando danificado, e quimicamente estável em ambientes fisiológicos, evidências de quebra de passividade e reações de transferência de elétrons foram coletadas usando técnicas microeletroquímicas de alta resolução. Assim, otimizações adicionais são necessárias para suas próximas aplicações.

Os biomateriais são geralmente definidos como substâncias projetadas para interagir com sistemas biológicos para tratar, avaliar e substituir qualquer tecido, órgão ou função do corpo1,2,3. Nas últimas décadas, um grande número de biomateriais tem sido desenvolvido para aplicações na área da saúde. Eles são usados ​​principalmente para administração de medicamentos, ortopedia, atendimento odontológico e engenharia de tecidos de dispositivos cardiovasculares e pele4. Antes que qualquer novo biomaterial possa ser aprovado para uso no corpo humano, vários pré-requisitos reconhecidos pela International Standards Organization (ISO) e pela American Society for Testing and Materials (ASTM) devem ser atendidos4. A biocompatibilidade é considerada um requisito vital para a correta aplicação de biomateriais. Segundo a definição de biocompatibilidade de Williams5, os biomateriais implantados não devem gerar reações adversas e nocivas com o ambiente fisiológico local. No entanto, os biomateriais implantados são muito suscetíveis à corrosão, pois são expostos a ambientes corrosivos agressivos, como sangue e outros tipos de fluidos extracelulares que contêm íons cloreto, proteínas e aminoácidos6,7,8. Isso enfatiza que os materiais implantados devem exibir alta resistência à corrosão conforme exigido pela ISO e ASTM. De fato, o objeto implantado também pode sofrer desgaste devido ao micromovimento gerado entre ele e o metal ou osso adjacente9. Isso leva à formação de detritos de desgaste que podem desenvolver interações indesejáveis ​​com tecidos vivos10,11. Portanto, as características de resistência ao desgaste e osseointegração são consideradas fatores importantes para a longevidade dos materiais implantados12.

Atualmente, os biomateriais são constituídos por metais e ligas, polímeros, cerâmicas e compósitos. Entre eles, os materiais implantados feitos de titânio são considerados os mais úteis como dispositivos médicos. Na verdade, materiais à base de titânio têm sido usados ​​na fabricação de implantes biomédicos desde a década de 1950. É relatado que mais de 1000 toneladas de titânio são usadas a cada ano em dispositivos biomédicos13. Isso se deve à sua biocompatibilidade e propriedades mecânicas favoráveis, como baixo módulo de elasticidade, alta resistência à tração e baixa densidade. Além disso, são conhecidos por suas excepcionais características de osseointegração que operam em tecidos vivos após a implantação. Essa perspectiva se concentrará na suposta estabilidade e inércia dos materiais à base de titânio para aplicações de implantes, fornecendo algumas informações sobre o papel e a dinâmica das camadas de óxido passivo de superfície e o impacto da liberação de metal como resultado dos mecanismos de degradação que operam nesses materiais.

Em geral, sabe-se que sob condições atmosféricas, uma película protetora robusta pode se desenvolver espontaneamente na superfície de objetos de titânio. Sua espessura está na faixa de alguns nanômetros14. O filme protetor de óxido é composto principalmente de TiO2 misturado com algum Ti2O3 e TiO14. O TiO2 possui característica semicondutora com amplo bandgap de 3,2 eV15, o que proporciona alta resistência à corrosão por atenuar a liberação de íons metálicos perigosos da superfície e inibe reações de transferência de elétrons com o ambiente local onde está implantado. Quando a superfície coberta de óxido de titânio é danificada, o titânio metálico se regenera através da formação espontânea do filme passivo de dióxido de titânio16, conforme ilustrado pelos esboços a–c na Fig. 1. Nesse caso, o filme quebrado no biomaterial de titânio é cicatriza rapidamente e evita a ocorrência de corrosão na superfície do biomaterial, o que acaba por manter a célula biológica saudável. No entanto, uma situação diferente ocorre em metais não curados que resultam na ocorrência de corrosão conforme representado pelos esboços d–f na Fig. 1. Ou seja, a corrosão inicia pela quebra do filme passivo no biomaterial de titânio, seguida pela oxidação do biomaterial de titânio promovida por espécies corrosivas presentes no eletrólito circundante, como cloretos. Enquanto os elétrons cedidos pela reação de oxidação serão consumidos pelo oxidante presente no eletrólito, que geralmente é o oxigênio, uma vez que sua reação é termodinamicamente possível com o titânio, isso resultará na formação de espécies reativas de oxigênio nos locais do microcátodo que acabarão levando a o dano de células biológicas.