Titânio

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 470 (2023) Citar este artigo

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

Os biomateriais estão recebendo atenção considerável para diferentes aplicações nos últimos anos. O desenvolvimento de biomateriais metálicos para implantes é particularmente uma questão crítica tanto do ponto de vista técnico quanto de pesquisa devido ao contato 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 de suporte de carga 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.

Uma das etapas iniciais que influencia significativamente a biocompatibilidade é a adsorção instantânea de proteínas de fluidos biológicos em superfícies de biomateriais1,2. Além disso, a adsorção de proteínas é considerada a primeira e mais importante etapa que permite a adesão das células na superfície do biomaterial e, portanto, fenômenos clínicos relevantes, como a osseointegração de implantes ortopédicos, ocorrem durante essa etapa1,2,3,4. A albumina foi identificada como o aglutinante de metal 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 dessa camada e começam a responder. Alguns relatos sobre implantes revelaram claramente a presença de camadas contendo proteínas na superfície1,6, indicando a importância da interação de proteínas com ligas biomédicas no 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 Co-Cr9. No entanto, a principal desvantagem do titânio e suas ligas é sua menor resistência e dureza em comparação com aços inoxidáveis ​​e ligas de Co-Cr7,8,9. Estudos recentes mostraram que a nanoestruturação do titânio é uma solução eficaz para melhorar sua resistência e dureza sem deteriorar 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. No entanto, devido à não bioatividade dos materiais à base de Ti, eles não podem se ligar diretamente ao osso e promover a neoformação óssea em sua superfície nos estágios iniciais da implantação13,14. Para melhorar a osseointegração de materiais à base de Ti, dois métodos principais têm sido empregados com base nas modificações de superfície: (1) o controle da topografia da superfície com alteração física e/ou química15,16; (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 seroalbumina bovina (BSA)5,20,21,22, pode aumentar a biocompatibilidade de ligas à base de Ti.