Resumo

ARTIGO

Biomateriais: deposição de hidroxiapatita sobre superfície de Ti-cp modificada por aspersão térmica

Biomaterials: deposition of hydroxyapatite on Ticp surfaces modified by thermal aspersion

Edson de Almeida Filho; Camila Molena de Assis; Luci de Oliveira Vercik; Antonio Carlos Guastaldi^* * e-mail: guastald@iq.unesp.br

Departamento de Físico-Química, Instituto de Química, Universidade Estadual Paulista, R. Francisco Degni, s/n, 14800-900 Araraquara – SP, Brasil

ABSTRACT

The osseointegrated titanium implants are reliable and safe alternatives to treatments for long periods of time. For surface modification, thermal aspersion of TiO₂ was used. The samples with and without TiO₂ were treated with NaOH and SBF in order to obtain a layer of HA. Characterization was done by SEM and FTIR. The images of HA obtained by SEM show a uniform morphology and a porous structure with spherical particles. The IR spectra show that the surface of Ticp/ TiO₂ is more favorable for the HA deposit, as can be seen by the increase of the crystalline structure and the very intense and defined bands of the OH group of HA that is verified about 3571 and 630 cm^-1. Thus the Ticp/ TiO₂ surface presents a satisfactory nucleation of HA when compared to Ticp.

Keywords: hydroxyapatite; surface modification; biomimetic.

INTRODUÇÃO

Há mais de um século muitos pesquisadores vêm dedicando esforços para encontrar materiais com características adequadas para restauração e substituição de tecidos ósseos no corpo humano. Em uma fase inicial, a procura de tais materiais deu-se através da utilização de materiais de origem biológica, como no caso dos enxertos e dos transplantes, os quais são classificados como autógenos (onde o doador é o próprio receptor), alógenos (onde o doador e o receptor são da mesma espécie) e xenógenos (onde o doador é de origem animal)¹.

A utilização de materiais sintéticos, para substituição ou aumento dos tecidos biológicos, sempre foi uma grande preocupação nas áreas médica e odontológica. Para este fim, são confeccionados diversos dispositivos a partir de metais, cerâmicas, polímeros e, mais recentemente, compósitos. Na realidade, nem sempre são novos materiais no sentido estrito da palavra, são materiais dos quais se utilizam novas propriedades obtidas mediante diferentes composições químicas ou processos de fabricação¹.

Biomaterial é definido como qualquer substância ou combinação de substâncias que não sejam drogas ou fármacos, de origem natural ou sintética, que podem ser usadas durante qualquer período de tempo, como parte ou como todo de sistemas que tratam, aumentam ou substituam quaisquer tecidos, órgãos ou funções do corpo².

Mesmo com o relativo sucesso do titânio comercialmente puro (Ti-cp) em implantes, os pesquisadores procuram modificar a superfície a fim de possibilitar a deposição de materiais similares ao osso por processos físicos e químicos, com o objetivo de favorecer ainda mais a gênese e o crescimento ósseo neoformado e, com isso, talvez diminuir o tempo de osseointegração. Somente após esse avanço foi possível a evolução dos estudos de implantes a partir de superfícies melhoradas, com tensão superficial e seletividades adequadas, obtidas utilizando-se processos químicos¹.

Uma das formas usadas para aperfeiçoar o uso de implantes de Ti-cp e suas ligas tem sido a modificação de superfície pela deposição de óxido de titânio (TiO₂) utilizando diferentes técnicas, com o intuito de criar uma superfície inteiramente nova com propriedades físico-químicas mais adequadas quando comparadas aos dispositivos sem recobrimento. Segundo alguns autores^3,4, a modificação química da superfície do Ti-cp com depósito de uma camada de TiO₂ por aspersão térmica pode propiciar e favorecer o depósito de apatitas.

As biocerâmicas de fosfato de cálcio, dentre elas a hidroxiapatita (HA), estão sendo pesquisadas e cada vez mais utilizadas em procedimentos para reconstrução e recomposição tecidual, devido às suas características e propriedades, principalmente biocompatibilidade, osteocondutibilidade, osteoindutibilidade intrínseca e, ainda, por sua semelhança estrutural, química e física com a matriz mineral óssea^5-7.

Estas biocerâmicas de fosfatos podem ser transformadas em cerâmicas biocompatíveis e osteocondutoras (isto é, com capacidade para fazer com que o crescimento ósseo ocorra sobre a superfície dos poros do material)⁷.

As biocerâmicas não induzem qualquer reação imunológica ou tóxica quando utilizadas, bem diferente de alguns materiais que têm origem orgânica. Não apresentam riscos de transmissão de patologias infecto-contagiosas nem de degradação protéica, em razão de suas características sintéticas e por apresentarem alta pureza em decorrência de seu processo de obtenção com controle rígido e sistemático, de acordo com os padrões exigidos⁸.

Com a descoberta das propriedades da HA, pesquisadores como Abe⁹ introduziram o método biomimético, processo de deposição de apatitas por precipitação heterogênea, que tenta "imitar" as condições biológicas para obtenção do biomaterial desejado, sendo uma das técnicas mais promissoras para produção de biomateriais em condições ambientes. Devido a essas condições é possível recobrir materiais de formas complexas, como materiais porosos e materiais sensíveis à temperatura, como é o caso dos polímeros. Além disso, com esta técnica pode-se recobrir implantes com diferentes fases de fosfatos de cálcio, as quais possuem características benéficas para ocorrência da osseointegração¹⁰.

Este método consiste em colocar o substrato a ser recoberto em uma solução sintética ("SBF - Simulated Body Fluid") de composição iônica semelhante à do plasma sanguíneo. Conjuntamente com o substrato coloca-se uma placa de vidro de composição em peso (%), MgO 4,6; CaO 44,7; SiO₂ 34,0; P₂O₅ 16,2; CaF₂ 0,5, denominado vidro G bioativo. Este é colocado a uma distância de aproximadamente 0,5 mm do substrato. Depois de mantido o sistema durante 7 dias a 36 ºC, forma-se sobre o substrato uma camada contínua e homogênea de aproximadamente 1 µm de espessura, composta por cristalitos de HA muito parecida com a biológica, além de serem muito finos e de aparência fibrosa. Através da re-imersão durante 7 dias em uma solução 1,5 vezes mais concentrada que a primeira, obtém-se um aumento na espessura da camada de até 15 µm. A caracterização desse recobrimento demonstrou que se tratava de uma hidroxiapatita carbonatada, CO₃-HA, de baixa cristalinidade, muito semelhante à da HA biológica presente no tecido ósseo natural. Assim Abe e colaboradores⁹ propuseram um mecanismo de recobrimento (Figura 1).

Primeiramente, os íons silicato presentes no vidro G dissolvem-se e adsorvem-se sobre o substrato, onde ocorre a nucleação de HA sobre os íons silicatos adsorvidos. Os núcleos de HA crescem às custas do SBF supersaturado com relação a HA, produzindo-se o recobrimento do substrato (1 µm de espessura). Assim, a espessura da camada aumenta até 15 µm, devido ao SBF 1,5 vezes mais concentrado.

Este mecanismo concorda com estudos sobre a formação de HA sobre sílica gel nos quais se atribui um papel fundamental na formação de HA aos grupos silanóis (SiOH) presentes na superfície do gel^11,12.

As propriedades químicas da HA podem ser modificadas através do método de sua preparação. Para implantes ósseos ou dentários, duráveis por muitos anos, utiliza-se um material pouco solúvel, constituído por hidroxiapatita pura. Quando se deseja que o implante seja reabsorvido pelo corpo, cedendo lugar ao tecido ósseo novo, usa-se uma cerâmica mais solúvel, geralmente constituída por uma mistura de hidroxiapatita com outros fosfatos de cálcio¹³. Estes outros fosfatos podem ser transformados em cerâmicas osteocondutoras.

Parte experimental

Depósito de óxido de titânio por aspersão térmica

As barras de Ti-cp, com 15 cm de comprimento por 2,5 cm de largura e 0,5 cm de espessura, foram submetidas primeiramente a um processo de limpeza com acetona, para eliminação das impurezas orgânicas e, em seguida, a um processo de jateamento de areia. A aderência do revestimento depende muito da limpeza do substrato a ser revestido. Após o jateamento, foi depositado óxido de titânio por aspersão térmica sobre os substratos de Ti-cp em suas formas de anatásio e rutilo (relação aproximada 50:50); estes foram caracterizados por difração de raio X¹⁴.

Tratamento com solução de NaOH

As amostras foram utilizadas em forma de chapas, cortadas com dimensões de 0,5 X 0,5 X 0,5 cm e polidas com lixa de 80 mesh. Em seguida, foram lavadas em álcool, acetona e água deionizada durante 10 min no ultra-som.

Em seguida, as amostras foram dividas em dois grupos: G₁ – amostras sem depósito de óxido tratadas com NaOH com concentração de 5 Mol/L e submetidas a tratamento térmico a 600 ºC por 1 h e imersas em solução de silicato de sódio, Na₂SiO₃, permanecendo por 24 h a 36 ºC; G₂ – amostras com depósito de óxido tratadas com NaOH com concentração de 5 Mol/L, submetidas a tratamento térmico a 600 ºC por 1 h e expostas imediatamente a solução de silicato de sódio, Na₂SiO₃, permanecendo por 24 h a 36 ºC.

Recobrimento de apatita

Após o tratamento em solução de NaOH, os G₁ e G₂ foram submetidos a uma solução de SBF (com concentração similar ao plasma sanguíneo). O pH dessa solução foi ajustado em 7,25 e preparada para o volume de 1 L.

Em seguida, os substratos foram imersos durante 7 dias em uma solução SBF com concentração 1,5, para crescimento da camada de apatita sobre a superfície das amostras . A Tabela 1 apresenta os sais e suas respectivas massas para preparo da solução SBF.

Caracterização do recobrimento de apatita

Todas as superfícies tratadas e os recobrimentos foram caracterizados utilizando microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia na região do infravemelho. Os equipamentos utilizados para as análises foram: microscópio eletrônico de varredura JEOL-JSM, modelo T330A, empregando-se a aceleração do feixe de 20 kV; espectrômetro no infravermelho - Perkin Elmer, FT-IR Spectrometer-Spectrum 2000, de reflectância difusa Drift Collector. Para a espectroscopia no infravermelho foi determinado um intervalo de 400 a 4000 cm^-1 e utilizou-se a transmitância para se obter o espectro. Usou-se estufa incubadora Quimis, modelo Q-316B.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Microscopia eletrônica de varredura

Tratamento da superfície

A microscopia eletrônica de varredura da superfície do Ti-cp e do depósito de TiO₂ sobre Ti-cp é mostrada na Figura 2. Observa-se um depósito bem característico daqueles realizados pela técnica de aspersão térmica¹⁴. Esses depósitos são realizados na forma de várias camadas, com aspecto lamelar, e são compostos por partículas fundidas, parcialmente fundidas e por alguns vazios entre as camadas depositadas. Nota-se também pelas figuras que a morfologia do depósito além de rugosa apresenta-se bem porosa.

O substrato com depósito de TiO₂ mostra-se mais favorável ao recobrimento, devido à mistura de óxidos estequiométricos menos estáveis termodinamicamente na superfíce¹⁵. A Figura 3 mostra o difratograma do Ti-cp/TiO₂ após o processo de aspersão térmica.

O difratograma apresentado constata e confirma a deposição de TiO₂ sobre a superfície do titânio pelo método de aspersão térmica.

Para aumentar a atividade da superfície para nucleação da HA, os substratos Ti-cp/TiO₂ foram tratados com uma solução de NaOH, formando uma superfície rugosa sobre o susbtrato, como mostra a Figura 3. Kim et al.¹⁶ e Kokubo et al.¹⁷ promoveram a nucleação da HA através do tratamento do Ti com NaOH. Mostraram o envolvimento do titanato Na₂TiO₃ na imediata precipitação de HA, constatando-se um aumento na superfície de grupos hidroxil, que agem como pontos de nucleação, e uma elevada supersaturação do filme através da hidrólise da superfície do titanato.

Segundo Shi et al.¹⁸, o tratamento de NaOH sobre a superfície do TiO₂, depositado por aspersão térmica, forma também uma estrutura fibrosa de titanato de sódio como no tratamento realizado diretamente sobre a superfície do metal^16-18. A Figura 4 mostra o difratograma da formação de titanato sobre a superfície da Ti-cp/TiO₂.

A formação de titanato sobre a superfície da amostra tratada com NaOH é de extrema importância para posteriormente receber o depósito de HA (Figura 5).

Recobrimento de HA

Uma forma conveniente de classificar os vários fosfatos de cálcio é através da razão molar entre cálcio e fósforo, como ilustrado na Tabela 2. Vários fosfatos de cálcio que possuem razão variando de 0,5 a 2,0 podem ser sintetizados por precipitação a partir de soluções contendo íons cálcio e fosfato, sob condições alcalinas ou ácidas^19,20. Estes fosfatos podem ser transformados em cerâmicas biocompatíveis e osteocondutoras. A Tabela 2 apresenta a razão cálcio/fósforo e suas possíveis fases²¹.

A Figura 6 apresenta as micrografias referentes às superfícies de Ti-cp e Ti-cp/TiO₂, respectivamente. Após o recobrimento pelo método biomimético observa-se nas duas superfícies uma nucleação homogênea, com esferas de aproximadamente 10 mm, sendo que a superfície tratada com TiO₂ apresentou maior nucleação de cristalitos.

Espectroscopia vibracional no infravermelho

A hidroxiapatita com fórmula molecular Ca₁₀(PO₄)₆(OH) ₂ possui absorções de modo de vibrações para os grupos fosfato e hidroxilas. Em apatitas biológicas alguns íons PO₄^3- são substituídos por íons CO₃^2- e a espectroscopia na região do infravermelho é muito sensível a essas pequenas substituições, portanto, mesmo uma quantidade muito pequena de carbonato substituído pode ser detectada²². O tratamento térmico utilizado a 600 ºC tem como objetivo de retirar toda a água da estrutura da HA, tornando-a mais cristalina e, assim, proporcionando melhor caracterização do material estudado.

A Figura 7 apresenta os espectros no infravermelho do titânio e titânio com uma camada de TiO₂.

Verifica-se a partir dos espectros que as bandas referentes à HA cristalina em 3571 e em aproximadamente 630 cm^-1 apresentam-se mais definidas no substrato Ti-cp/TiO₂. Isto se deve à diversidade de óxidos formados sobre a superfície no depósito de TiO₂ por aspersão térmica, formando sítios nucleantes (OH^-) após o tratamento com a solução de NaOH¹⁵.

As bandas em 1182, 948, 630 e 1020 cm^-1 são atribuídas ao estiramento P-O, enquanto as bandas próximas a 610 cm^-1 são referentes às vibrações de deformação P-O do grupo PO₄^3-. Verifica-se a partir dos espectros a definição das bandas do grupo fosfato, tendo melhor definição quando sobre o substrato Ti-cp/TiO₂. Observa-se também bandas relacionadas ao grupo CO₃^2- a 1458 cm^-1 e bandas referentes ao CO₂ por volta de 2360 cm^-1. Isto se deve ao tempo de abertura e acerto das amostras no equipamento. Devido ao aparecimento dessas bandas, pode-se supor que possivelmente os íons PO₄^3- são substituídos pelos íons carbonatos na estrutura da HA como, Ca_8,3n_1,7(PO₄) _4,3(CO₃)_3,7(HPO₄)_0,7(OH)_0,3n_1,7, onde n =vacância.

CONCLUSÃO

A técnica de aspersão térmica de TiO₂ foi utilizada para modificação de superfícies de Ti-cp, obtendo-se um depósito que é constituído por uma diversidade de óxidos sobre o substrato; esse depósito ao ser tratado com NaOH proporcionou a formação de titanato de sódio (Na₂TiO₃), que apresenta maior indução à formação de grupos nucleantes (OH^-) para a HA, quando comparado com o substrato Ti-cp. A partir dos espectros de infravermelho verificou-se que as amostras de Ti-cp/TiO₂ proporcionaram uma nucleação mais satisfatória de HA em relação ao substrato Ti-cp. Portanto, o recobrimento de HA pelo método biomimetico é mais eficaz sobre a superfície que contém TiO₂ depositado por aspersão térmica.

Recebido em 8/8/06; aceito em 9/1/07; publicado na web em 30/7/07

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