Revestimentos de vidro-cerâmica nanoestruturados para aplicações ortopédicas - parte 1

Revestimentos de vidro-cerâmica nanoestruturados para aplicações ortopédicas

Guocheng Wang1, Lu Zufu 1 , Xuanyong Liu 2 , Xiaming Zhou 2 ,

Chuanxian Ding 2 e Hala Zreiqat 1 , *

1 Unidade de Pesquisa em Engenharia de Biomateriais e Tecidos, Escola da AMME,

Universidade de Sydney, Sydney 2006, Austrália

2 Instituto de Xangai de Cerâmica, Academia Chinesa de Ciências, Xangai 200050,

República Popular da China


As cerâmicas vítreas têm atraído muita atenção no campo biomédico, pois fornecem grandes possibilidades de manipular suas propriedades por pós-tratamentos, incluindo resistência, taxa de degradação e coeficiente de expansão térmica. Neste trabalho, prepararam-se revestimentos vitrocerâmicos de hardstonocita (HT; Ca2ZnSi2O7) e esfeno (SP; CaTiSiO5) com nanoestruturas por meio de uma técnica de pulverização em plasma utilizando pós convencionais. A força de adesão e a dureza Vickers para os revestimentos HT e SP são maiores do que os valores reportados para os revestimentos de hidroxiapatita plasma-pulverizados. Ambos os tipos de revestimentos liberam íons bioativos de cálcio (Ca) e silício (Si) no ambiente circundante. O teste de mineralização em meio de cultura livre de células mostrou que muitos compostos de Ca e fósforo semelhantes a cogumelos se formaram nos revestimentos HT após 5 h, sugerindo sua alta capacidade de mineralização acelular. Os osteoblastos humanos primários se ligam, espalham e proliferam bem em ambos os tipos de revestimentos. Maior taxa de proliferação foi observada nos revestimentos HT comparados com os revestimentos de SP e com a liga Ti-6Al-4V não revestida, provavelmente devido aos íons de zinco liberados dos revestimentos HT. Maiores níveis de expressão de Runx2, osteopontina e colágeno tipo I foram observados em ambos os tipos de revestimentos em comparação com a liga Ti-6Al-4V, possivelmente devido ao Ca e Si liberados dos revestimentos. Os resultados deste estudo apontam para o potencial uso de revestimentos HT e SP para aplicações ortopédicas.

Palavras-chave: spray de plasma; ortopédico; liga de titânio ; nanoestrutura, genes osteogênicos; vidro-cerâmica


  1. INTRODUÇÃO

A liga de titânio (Ti-6Al-4V) é amplamente utilizada em aplicações ortopédicas, incluindo articulações artificiais do quadril, placas ósseas e implantes dentários, devido às suas excelentes propriedades mecânicas [1]. No entanto, a principal desvantagem dos implantes Ti-6Al-4V é a formação de tecido fibroso denso na interface implante-osso, devido à sua bioinergia [2], que compromete a estabilidade das próteses, levando à falha prematura dos dispositivos. O revestimento de implantes Ti-6Al-4V com um revestimento bioativo é uma maneira eficaz de resolver este problema, pois o revestimento pode acelerar a formação de osso novo na interface osso-implante, levando a uma forte ancoragem do material do dispositivo no tecido ósseo circundante prolongando o tempo de vida dos implantes. Várias técnicas de modificação de superfície têm sido usadas, incluindo sol-gel, spray de plasma, deposição biomimética, deposição de laser pulsado e técnicas de feixe de íons [3]. O spray de plasma é de longe a técnica comercial mais estabelecida, devido a sua alta taxa de deposição, depósito espesso, baixo capital e custo de operação [4], juntamente com o fato de que as superfícies ásperas dos revestimentos plasma-spray são favoráveis à fixação óssea. 5]. Revestimentos de hidroxiapatita pulverizados com plasma (HAp) têm sido comercializados e amplamente utilizados em substituições de articulações do quadril devido à similaridade química de HAp com o componente inorgânico de ossos humanos. No entanto, a principal preocupação com o revestimento de HAp é a sua baixa força de ligação ao Ti-6Al-4V subjacente, resultante da incompatibilidade de seus coeficientes de expansão térmica, o que aumentará o risco de delaminação dos revestimentos. Uma vez que a delaminação ocorre, os fragmentos dos revestimentos promoverão inflamação e osteólise resultante, comprometendo a estabilidade a longo prazo dos implantes Ti-6Al-4V [6].

Um método alternativo é revestir os implantes com biovidro à base de CaO-SiO2, cuja bioatividade foi bem documentada in vitro [7-11] e in vivo [12,13]. No entanto, a maioria dos revestimentos de biovidro pulverizados com plasma falha devido à sua fraca ligação interfacial com a liga Ti-6Al-4V resultante do maior coeficiente de expansão térmica (14-15 × 10 -6 K -1 [14]) em relação à da liga ( 8,4-8,8 × 10 -6 K -1 [15]) [16]. A alta taxa de degradação é outra barreira para usar o biovidro como revestimento de implantes . No entanto, sabe-se que a liberação de íons cálcio (Ca) e silício (Si) aumenta a fixação, proliferação e diferenciação de osteoblastos [17-20] e promove a formação óssea [11,21]. Portanto, projetar revestimentos baseados em CaO-SiO2 com uma liberação limitada de íons Ca e Si, que não comprometerão a estabilidade a longo prazo dos revestimentos, resultaria em revestimentos com bioatividade aprimorada. Em nosso trabalho anterior, relatamos que hardstononite (HT) ou sphene

(SP) cerâmicas, produzidas pela adição de ZnO [22] ou TiO2 [23], respectivamente, no sistema CaO-SiO2, possuem melhor estabilidade química em comparação com as cerâmicas de CaSiO3. Além disso, seus coeficientes de expansão térmica (11,2 × 10 -6 K -1 para HT [24]; 6 × 10 -6 K -1 para SP [25]) estão mais próximos do das ligas Ti-6Al-4V , implicando que maior força de ligação deve ser obtida. Portanto, é plausível sugerir que HT e SP seriam revestimentos candidatos adequados para aplicações ortopédicas.


******continua******