Efeitos da topografia superficial de implantes de titânio em nanoescala sobre a osseointegração:
uma revisão sistemática
Thaís Graef
Engenheira de Produção • Universidade Feevale • E-mail: tfg@outlook.com
Dra. Cláudia Trindade Oliveira
Engenheira Metalúrgica • Universidade Feevale • E-mail: cto@feevale.br
Resumo: Este artigo apresenta uma revisão sistemática sobre os diferentes processos estudados na literatura para obtenção de nanoestruturas sobre a superfície de titânio para aplicações em implantodontia, indicando os efeitos da nanotopografia sobre o processo de osseointegração. A partir de uma triagem inicial, 28 artigos foram selecionados e analisados e os seus resultados elencados em função do processo de obtenção da estrutura, caracterização e conclusões dos autores acerca dos efeitos investigados sobre o processo de osseointegração. Concluiu-se que as publicações analisadas estão em acordo com os resultados entendidos como consenso pela literatura, de que está claramente demonstrado que a resposta do osso é influenciada pela topografia superficial dos implantes: o aumento da rugosidade promovido pela nanotopografia da superfície do implante amplia a resposta óssea. Em todos os casos demonstrou-se melhor resposta biológica nas superfícies de materiais nanoestruturados com relação aos parâmetros de comparação estudados, em geral superfícies metálicas “lisas” (usinadas, lixadas ou polidas).
Palavras-chave: Titânio, implantes, nanotopografia, osseointegração.
1. Introdução
Os primeiros estudos acerca do emprego do titânio como material biocompatível para uso em aplicações biomédicas datam do final da década de 1960 e partem dos esforços de Branemark sobre a caracterização microscópia da formação óssea sobre a superfície de implantes de titânio usinados (BRANEMARK, 1969). O processo de formação de tecido ósseo diretamente sobre a superfície do implante é chamado de osseointegração, e é aceito como um dos principais fatores de sucesso no desempenho de um implante (GUÉHENNEC et al., 2007).
A taxa e qualidade da osseointegração em implantes de titânio está relacionada pela literatura às características da sua superfície. Albrektsson et al. (2004), dividiram essas características superficiais em três categorias: propriedades mecânicas, topográficas e fisicoquímicas. Dentre estas características, vários estudos indicam que a rugosidade superficial dos implantes de titânio afeta a taxa de osseointegração e sua fixação biomecânica (SUL et al., 2005; GUÉHENNEC et al., 2007; Elias et al., 2008; WENNEBERG, 2009). Neste sentido, o desenvolvimento de novas tecnologias de processamento da superfície de implantes de titânio, tem focado esforços no estudo de modificações na topografia superficial, em detrimento das suas características químicas.
A rugosidade superficial dos implantes de titânio pode ser classificada em três níveis de escala dimensional (GUÉHENNEC et al., 2007): o nível macro, definido por características topográficas na escala de milímetros a dezenas de mícrons; o nível micro, caracteriza rugosidades superficiais de tamanho entre 1 a 10 mícrons; por fim, materiais com topografia superficial entre 1 e 100nm estão na ordem da nanoescala. Segundo Variola et al. (2011), é reconhecido que a interação entre o material do implante e o tecido hospedeiro é principalmente governado pela disposição superficial nanométrica: estas superfícies possuem a capacidade única de afetar diretamente os eventos em nível celular e molecular que determinam a resposta biológica ao material implantado, como adsorção de proteínas, adesão celular e proliferação.
Desta forma, o estudo de técnicas nanotecnológicas aplicadas ao desenvolvimento de características superficiais em nanoescala, está entre as principais tendências exploradas pela literatura para criação de modificações na topografia superficial dos implantes de titânio (GUÉHENNEC et al., 2007). Este estudo tem por objetivo identificar, a partir de uma revisão sistemática da literatura, o estado da arte em termos de processos de alteração superficial de implantes de titânio em escala nanométrica, relacionando cada processo à topografia superficial obtida e aos seus efeitos sobre a osseointegração.
2. Metodologia
Esta revisão sistemática é baseada em artigos publicados em revistas internacionais, com acesso até janeiro de 2021. Foi utilizada a ferramenta de busca da base de dados Web of Science (Publons) para a triagem inicial, restrita às publicações dos últimos 16 anos, com período de restrição entre 2004 e 2020.
Foram empregadas as palavras-chave na triagem inicial: “osseointegration”, com retorno de busca de 291 artigos no período. Deste total, foram triados manualmente, pela palavra-chave e abstract, apenas aqueles que faziam referência ao tratamento superficial de implantes de titânio, sendo excluídos aqueles que implicassem em formação de qualquer outro material ou composto na formação de estruturas em nanoescala, mas incluindo aqueles que descreviam combinações de materiais ou farmacológicas com superfícies nanoestruturadas de titânio.
Da triagem, as 28 publicações remanescentes (incluindo revisões sistemáticas sobre o tema) foram avaliadas integralmente, sendo avaliados os processos de modificação superficial, caracterização e efeitos sobre a osseointegração destas estruturas.
3. Resultados e Discussões
3. 1 Nanotecnologia e desenvolvimento de superfícies
A nanotecnologia envolve o estudo de materiais que possuem topografia em nanoescala ou que são compostos de materiais de dimensões nanométricas (dimensões entre 1 e 100nm). Segundo Mendonça et al. (2008), a nanotecnologia envolve desde estruturas mais simples, como nanopontos e nanofios, à construção de estruturas mais complexas, como nanotubos. Ainda, os nanomateriais podem ser classificados de acordo com a sua forma e estrutura, como nanoestruturas, nanocristais, nanorecobrimentos e nanofibras.
Uma grande variedade de técnicas pode ser empregada na obtenção destas nanoestruturas sobre a superfície de implantes de titânio, através da alteração das propriedades da sua camada óxida. Essas técnicas são usualmente classificadas em processos químicos e físicos (VARIOLA, 2011), podendo serem usadas em conjunto. O Quadro 1 relaciona os métodos empregados encontrados na literatura estudada, as características nanotopográficas da superfície obtida, e as conclusões quanto à resposta da osseointegração sobre a superfície.
3.1.1 Processos Químicos
Dentre os processos químicos aplicados ao desenvolvimento de nanoestruturas sobre a superfície do titânio, são apontados como os mais comuns empregados: processo de oxidação anódica (anodização) e ataques químicos.
O de oxidação anódica é um dos mais utilizados. Neste processo, voltagem e corrente galvânica são aplicadas para promover o desenvolvimento de camada de óxido de titânio sobre a superfície do titânio (catodo), contra um anodo de metal inerte, submersos em solução eletrolítica (ácido fluorídrico). Subsequentemente, um ácido forte é empregado para dissolver a camada óxida, criando padrões que seguem as linhas convectivas da corrente galvânica (BRESSAN, 2013). Através desta técnica, pode-se obter estruturas de formato tubular (nanotubos), cujas propriedades fisicoquímicas (incluindo o diâmetro e o espaçamento entre os tubos) podem ser moduladas pelo ajuste de parâmetros, tais quais a composição do eletrólito, voltagem e corrente aplicadas (VARIOLA, 2011).
Os ataques químicos sobre a superfície do titânio são empregados para expor a superfície a grupos reativos, criando topografia em nanoescala (MENDONÇA, 2008). Estes processos podem ser feitos com ácidos fortes e oxidantes (peróxidos). Segundo Variola (2011), a topografia superficial, molhabilidade, micro e nanorugosidade, bem como a espessura da camada óxida, podem ser precisamente controladas pelo ajuste do tempo de exposição, temperatura e composição das soluções de ataque. Ainda de acordo com o mesmo autor, a combinação de ácidos fortes e peróxidos é eficaz na criação de finas grades de “nanopoços” (nanopits) sobre a superfície do titânio.
De forma geral, o ácido fluorídrico é o mais empregado para técnicas de ataque químico, geralmente associado a prévio tratamento por jateamento da superfície. O processo, um dos mais comuns na indústria, é comercialmente denominado SLA (Sandblasting and Acid Etching), onde o ataque ácido produz nanoestruturas sobrepostas à microtopografia previamente criada pelo jateamento.
3.1.2 Processos Físicos
Vários processos físicos são empregados para revestimentos nanotopográficos sobre a superfície de metais, entre os quais plasma spray, PDV (Deposição Física de Vapor) e Eisa (Automontagem Induzida por Evaporação).
Ainda, segundo Variola (2011), uma categoria especial de métodos físicos inclui tecnologias que provocam rearranjos atômicos, como a oxidação térmica. O autor indica que estas técnicas permitem a inserção de íons biologicamente eficientes à superfície. Há potencial de criação de estresses superficiais, removidos com recozimento do metal. Processos de oxidação térmica e recozimento têm sido excepcionalmente explorados em titânio, para aumentar a bioatividade da camada óxida nanométrica através da modificação da sua estrutura cristalina (VARIOLA, 2011).
Quadro 1 – Relação entre técnicas de fabricação, caracterização superficial e resposta da osseointegração identificados nas publicações estudadas.
3.1.3 Caracterização Superficial
A caracterização superficial das superfícies obtidas com características nanotopográficas pelos autores identificou padrões de formação de nanoestruturas, de acordo com o processo empregado.
No caso da anodização empregando solução de ácido fluorídrico como eletrólito (em todos os casos), foram obtidas distribuições de nanotubos de dióxido de titânio com diâmetro médio inferior a 100nm (em todos os casos). No caso dos processos de anodização seguido de recozimento do material, a topografia foi mantida, com alterações na estrutura cristalina do óxido de titânio (obtenção de anatase).
Quanto aos processos de ataque ácido, foram encontrados na literatura investigada apenas de forma combinada, na sua maior parte com jateamento, oxidação térmica e nanodeposição. As superfícies obtidas por processo de ataque ácido são definidas como sobreposição de características nanotopográficas, obtidas pelo ataque ácido, sobre a microtopográfica, obtida pelo jateamento.
De forma menos comum, alguns processos ainda determinaram a formação de estruturas nanotopográficas na forma de serra, hastes, poros, telas e nódulos (Quadro 1), o que indica que a nanotopografia do titânio pode assumir inúmeras estruturas, de acordo com o método de fabricação.
3.2 Efeitos da superfície sobre a resposta da osseointegração
Em todos os casos analisados, a resposta da osseointegração foi superior nas amostras com presença de nanocaracterísticas topográficas em relação às amostras sem essas características, independentemente do método de fabricação, estrutura e metodologia de estudo do desempenho da osseointegração.
4. Conclusão
Os artigos analisados indicam que os métodos físicos e químicos mais empregados para obtenção de alterações topográficas sobre superfícies de titânio são a anodização e a combinação de jateamento e ataque ácido (SLA). Ainda assim, estes métodos estão frequentemente combinados com recozimento e oxidação térmica, técnicas que permitem a remoção de estresses superficiais e aumento da resposta biológica da superfície, pela inserção de íons biologicamente eficientes e alterações na estrutura cristalina.
As publicações analisadas estão em acordo com os resultados entendidos como consenso pela literatura, de que está claramente demonstrado que a resposta do osso é influenciada pela topografia superficial dos implantes: o aumento da rugosidade da superfície do implante amplia a resposta óssea (WENNEBERG, 2009). Em todos os casos demonstrou-se melhor resposta biológica nas superfícies de materiais nanoestruturados com relação aos parâmetros de comparação estudados, em geral superfícies metálicas” lisas” (usinadas, lixadas ou polidas).
Entretanto, não foi possível comparar os resultados dos diferentes estudos entre si: as técnicas de caracterização superficial variam consideravelmente entre as publicações, bem como a metodologia empregada para a verificação do desempenho da osseointegração sobre a superfície. Além disso, não foram identificadas publicações comparando o desempenho da osseointegração entre superfícies com diferentes caracterizações nanotopográficas e processos de fabricação. Desta forma, não foi possível concluir se algum dos processos investigados fornece superfícies com melhor potencial de osseointegração em relação aos demais.
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