Modificações de superfície para bioativação e proteção anódica de ligas de Ti-β para aplicação biomédica
Data
2022-09-29
Autores
Guedes, Geovana Vilas Bôas 
Orientadores
Travessa, Dilermando Nagle
Tipo
Tese de doutorado
Título da Revista
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Título de Volume
Resumo
As ligas de Ti são, indiscutivelmente, os biomateriais metálicos mais empregados em aplicações biomédicas e odontológicas, devido à sua biocompatibilidade e propriedades mecânicas excelentes. Todavia, grande parte dessas ligas, como a Ti6Al4V, apresentam elevado módulo elástico comparado ao do osso, o que causa o efeito stress shielding; além da presença de elementos em sua composição, que quando lixiviados desencadeiam reações inflamatórias indesejáveis, podendo levar à rejeição do biomaterial. Em razão disso, o desenvolvimento de ligas de Ti com fase β, que apresentam um menor módulo elástico associado a elementos mais biocompatíveis, vem sendo investigadas para o uso clínico. Outra característica das ligas de Ti é a ausência de propriedades osteointegrativas, inviabilizando a integração biomaterial/tecido vivo e comprometendo a vida útil do implante. Neste contexto, o presente trabalho propõe uma abordagem simples e inovadora para a bioativação e proteção anódica da ligas de Ti β, por meio de um recobrimento híbrido, o qual combina ancoragem física e química de partículas de vidros bioativos na superfície da liga TMZF (Ti12Mo6Zr2Fe). A modificação topográfica e os diferentes estágios do recobrimento bioativo, layer-by-layer (LBL), foram realizados em quatro etapas: (i) lixamento ou texturização a laser da superfície da liga metálica, (ii) funcionalização com grupos fosfatos, (iii) funcionalização com grupos silicatos e ancoragem das partículas do vidro bioativo sol-gel 58S modificado com Sr e (iv) adição de uma camada de proteção. A texturização a laser com um maior número de varreduras do feixe de laser exibiu um revestimento uniforme e aderente, devido às características morfológicas e a composição química da superfície do substrato metálico, resultando em um valor de potencial de corrosão mais nobre, menor densidade de corrente de passivação e maior resistência de polarização. Além disso, o revestimento bioativo promoveu uma melhor resposta bioativa após a imersão
em SBF, revelando a precipitação de apatita sobre a superfície após 24h de imersão. Esses resultados confirmam o efeito positivo da adição do revestimento bioativo LBL na superfície do substrato TMZF, que conduz à bioativação e proporciona uma melhora nas propriedades corrosivas da liga TMZF em ambientes fisiológicos, diminuindo a liberação de íons metálicos provenientes do substrato, tornando-o mais estável para o uso de implantes a longo prazo.
Titanium alloys have received significant attention in orthopedic and odontology applications due to mechanical and biocompatibility. One of the alloys most used as implants is the Ti6AL4V alloy, but ions such as the V and Al can be toxic to the body in the long term. In addition, Ti6AL4V alloy has a high elastic modulus promoting stress shielding effect. These characteristics can result in undesirable inflammatory reactions, leading to implant rejection. The alternative is to develop Ti alloy with β phase, which has lower elastic modulus and more biocompatible elements for clinical use. However, the poor osseointegration of Ti alloys has limited their applications. In this context, the present study proposes an innovative and simple approach to the bioactivation and anodic protection of β-Ti alloys, by means of a hybrid coating, which combines physical and chemical anchorage of bioactive glass particles on the surface of the TMZF alloy (Ti12Mo6Zr2Fe). The topographic modification and the different stages of bioactive coating, by layer-by-layer technique, were performed in four steps: (i) sanding or laser texturing of metal substrate, (ii) phosphate-functionalized TMZF surface, (iii) silicate-functionalized and anchored sol-gel 58S Sr-containing bioactive glass particles, and (iv) a deposit of a protective layer. The laser textured sample with greater laser beam scans showed a uniform and adherent bioactive coating, resulting from changes in the morphology and chemical composition of the substrate surface. The presence of bioactive coating provides an excellent bioactive response after immersion in SBF solution at 37ºC showing apatite related deposits on samples’ surface after 24 h of immersion. The electrochemical corrosion behavior of the coated samples and the TMZF uncoated was evaluated by potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy in SBF solution at 37ºC. The bioactive layer shifted corrosion potential toward more noble values and for lower passivation current densities comparing the uncoated substrates. These results confirm the positive effect of the addition of a bioactive layer by dip-coating method on the surface of the TMZF alloy and support its application for the development of highly stable implants, improved bioactivity and decreased release of metal ions from the substrate.
Titanium alloys have received significant attention in orthopedic and odontology applications due to mechanical and biocompatibility. One of the alloys most used as implants is the Ti6AL4V alloy, but ions such as the V and Al can be toxic to the body in the long term. In addition, Ti6AL4V alloy has a high elastic modulus promoting stress shielding effect. These characteristics can result in undesirable inflammatory reactions, leading to implant rejection. The alternative is to develop Ti alloy with β phase, which has lower elastic modulus and more biocompatible elements for clinical use. However, the poor osseointegration of Ti alloys has limited their applications. In this context, the present study proposes an innovative and simple approach to the bioactivation and anodic protection of β-Ti alloys, by means of a hybrid coating, which combines physical and chemical anchorage of bioactive glass particles on the surface of the TMZF alloy (Ti12Mo6Zr2Fe). The topographic modification and the different stages of bioactive coating, by layer-by-layer technique, were performed in four steps: (i) sanding or laser texturing of metal substrate, (ii) phosphate-functionalized TMZF surface, (iii) silicate-functionalized and anchored sol-gel 58S Sr-containing bioactive glass particles, and (iv) a deposit of a protective layer. The laser textured sample with greater laser beam scans showed a uniform and adherent bioactive coating, resulting from changes in the morphology and chemical composition of the substrate surface. The presence of bioactive coating provides an excellent bioactive response after immersion in SBF solution at 37ºC showing apatite related deposits on samples’ surface after 24 h of immersion. The electrochemical corrosion behavior of the coated samples and the TMZF uncoated was evaluated by potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy in SBF solution at 37ºC. The bioactive layer shifted corrosion potential toward more noble values and for lower passivation current densities comparing the uncoated substrates. These results confirm the positive effect of the addition of a bioactive layer by dip-coating method on the surface of the TMZF alloy and support its application for the development of highly stable implants, improved bioactivity and decreased release of metal ions from the substrate.