Caracterização eletroquímica e biológica do Ti

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 2312 (2023) Cite este artigo

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O desempenho das ligas de titânio biomédicas atuais é limitado por condições inflamatórias e inflamatórias graves após o implante. Neste estudo, uma nova liga Ti–Nb–Zr–Si (TNZS) foi desenvolvida e comparada com o titânio comercialmente puro e a liga Ti–6Al–4V. Os parâmetros eletroquímicos das amostras foram monitorados durante 1 h e 12 h de imersão em solução salina tamponada com fosfato (PBS) como 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 severas na diminuição da resistência à corrosão de biomateriais de titânio. Testes eletroquímicos revelaram uma resistência superior à corrosão do TNZS em todas as condições devido à presença de fases silicídicas. O TNZS desenvolvido foi testado para posterior investigação em cultura celular para entender sua natureza de biocompatibilidade. Exibiu interações favoráveis ​​de células-materiais 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 a população idosa cresce nos diversos países1. Aproximadamente 80% dos dispositivos de implantes comerciais são feitos de biomateriais metálicos para correção de deformidades no sistema esquelético2,3. 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 adequada à corrosão e biocompatibilidade satisfatória4. O CP-Ti não possui todas as propriedades desejáveis ​​para implantes biomédicos, então 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 pela ASTM F1713) possui elementos Nb e Zr mais biocompatíveis e menor módulo de Young em uma faixa de 60–80 GPa9,10,11 . A combinação de Nb e Zr nesta liga resultou em uma estrutura próxima à fase β-Ti mais resistente à corrosão do que as fases α-Ti e β-Ti, mas não alcançou um nível desejado de resistência à biocorrosão sem comprometer sua reatividade às células12. 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 nos tecidos, complicado adicionalmente com uma reação de corpo estranho15,16 e deposição de várias biomoléculas e proteínas na superfície, como a albumina17. Os leucócitos aumentam seu consumo de oxigênio usando a explosão respiratória para produzir espécies reativas de oxigênio (ROS), 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, em conjunto, cria um ambiente ácido oxidativo com diminuição do pH de neutro para 5 e menor durante a inflamação18. No quadro inflamatório grave, neutrófilos, macrófagos e microorganismos 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. O filme protetor passivo sobre o titânio nessas condições começa a sofrer degradação, acelerando a taxa de corrosão e causando rugosidade superficial e formação de composto de TiOOH poroso intensamente hidratado22,23,24,25. Estudos recentes mostraram que a combinação de albumina e H2O2 acelerou a taxa de corrosão de CP-Ti e Ti–6Al–4V26,27 e a presença de ácido lático 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 em uma vida significativamente mais curta do implante e maior risco de falhas30,31. Portanto, aditivos de liga adequados para ligas de titânio de alto desempenho são necessários para evitar falhas de implantes em condições inflamatórias. O silício foi introduzido em algumas ligas à base de Ti32,33,34, mas ainda não foi suficientemente analisado quando adicionado ao sistema Ti–Nb–Zr. Portanto, há interesse em avaliar como liga Ti–Nb–Zr–Si como material potencial para aplicações ortopédicas.