Titânio

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 470 (2023) Citar este artigo

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O desenvolvimento de novos biomateriais com excelentes propriedades mecânicas e alta biocompatibilidade tem sido um desafio significativo nas últimas décadas. Os metais nanocristalinos proporcionaram novas oportunidades na produção de biomateriais de alta resistência, mas a biocompatibilidade destes nanomatais precisa ser melhorada. Neste estudo, apresentamos nanocompósitos metal-proteína como biomateriais de alta resistência e biocompatibilidade superior. Pequenas proporções de albumina sérica bovina (2 e 5 vol%), uma proteína abundante no corpo dos mamíferos, são adicionadas ao titânio, e dois nanocompósitos são sintetizados usando um severo processo de deformação plástica de torção de alta pressão. Estes novos biomateriais apresentam não apenas uma elevada dureza semelhante ao titânio puro nanocristalino, mas também apresentam melhor biocompatibilidade (incluindo actividade metabólica celular, parâmetros do ciclo celular e perfil de fragmentação do ADN) em comparação com o nano-titânio. Estes resultados introduzem um caminho para projetar novos compósitos biocompatíveis, empregando compostos do corpo humano.

Os biomateriais têm recebido considerável atenção para diferentes aplicações nos últimos anos. O desenvolvimento de biomateriais metálicos para implantes é particularmente uma questão crítica tanto do ponto de vista técnico como de investigação devido ao contacto direto dos implantes com tecidos, ossos e fluidos do corpo humano sob carga. O corpo humano é um ambiente muito corrosivo e complexo, resultando na ocorrência de diferentes tipos de corrosão quando um material artificial resistente é implantado no corpo humano1,2,3. O fluido corporal contém vários compostos orgânicos e uma notável variedade de proteínas. Existem cerca de 105 proteínas diferentes disponíveis no corpo humano, cada uma com uma função específica. Dentre essas proteínas, a albumina foi relatada como a proteína mais abundante no plasma e no líquido sinovial4 e, portanto, presente em qualquer tecido humano onde um material artificial pudesse ser implantado.

Um dos estágios iniciais que influencia significativamente a biocompatibilidade é a adsorção instantânea de proteínas de fluidos biológicos em superfícies de biomateriais . Além disso, a adsorção de proteínas é considerada a primeira e mais crucial etapa que permite a adesão de células à superfície do biomaterial e, assim, fenômenos clínicos relevantes, como a osseointegração de implantes ortopédicos, ocorrem durante esta etapa1,2,3,4. A albumina foi identificada como o ligante metálico mais forte entre as proteínas do sangue humano, portanto, a adsorção de albumina nas superfícies dos implantes desempenha um papel fundamental na determinação das funcionalidades da superfície, como biocompatibilidade, corrosão e tribologia5. As proteínas criam uma camada espessa na superfície do material e as células detectam superfícies estranhas através desta camada e começam a responder. Alguns relatos sobre implantes revelaram claramente a presença de camadas contendo proteínas na superfície , indicando a importância da interação de proteínas com ligas biomédicas em nível celular.

O titânio e suas ligas têm sido amplamente utilizados como potenciais biomateriais em diversos implantes devido ao seu baixo módulo de elasticidade, alta resistência à fadiga, excelente resistência à corrosão, melhor biocompatibilidade em comparação com outros biomateriais, como aços inoxidáveis ​​e ligas de Co-Cr7,8 e baixo densidade de 4,5 g/cm3, que é cerca de metade dos aços inoxidáveis ​​e ligas de Co-Cr9. No entanto, a principal desvantagem do titânio e suas ligas é a sua menor resistência e dureza em comparação com os aços inoxidáveis ​​e ligas de Co-Cr7,8,9. Estudos recentes mostraram que a nanoestruturação do titânio é uma solução eficaz para melhorar a sua resistência e dureza sem deteriorar a sua biocompatibilidade10,11.

O sucesso do uso de implantes de titânio depende não apenas das propriedades mecânicas, como módulo de elasticidade e dureza, mas também da osseointegração na interface osso-implante12. Porém, devido à não bioatividade dos materiais à base de Ti, eles não conseguem se ligar diretamente ao osso e promover a formação de novo osso em sua superfície nos estágios iniciais da implantação13,14. A fim de melhorar a osseointegração de materiais à base de Ti, dois métodos principais têm sido empregados com base em modificações superficiais: (1) o controle da topografia superficial com alterações físicas e/ou químicas ; (2) a imobilização de moléculas bioativas na superfície do implante17,18. A segunda abordagem, na qual são utilizados revestimentos ricos em proteínas como colágeno19 e albumina sérica bovina (BSA)5,20,21,22, pode aumentar a biocompatibilidade de ligas à base de Ti.