Avaliação da interface osso-implante em superfícies de Ti6AI4V e do aço ISO 5832-9 tratadas eletroquimicamente

Abstract

Resumo: A escolha dos biomateriais para implantes ortopédicos é realizada com base nas suas propriedades e também segundo resultados de ensaios in vitro e in vivo. Deste modo, o titânio e algumas ligas aparecem com melhor desempenho em substituições ortopédicas por terem excelentes propriedades, tais como: a mecânica e a resistência a corrosão. O aço inoxidável é muito utilizado e aceito em aplicações médicas, por ter em sua composição química, o cromo e o níquel, que melhoram a propriedade mecânica e a sua resistência a processos corrosivos. Neste trabalho avaliou-se a osseointegração na interface osso-implante na liga Ti6Al4V e no aço inoxidável ISO 5832-9, tratados eletroquimicamente, via potenciodinâmica e acrescidos com hidroxiapatita (HA) através de imersão em SBF (simulated body fluid), solução que simula os fluídos corpóreos. O crescimento dos óxidos foi realizado sobre a liga Ti6Al4V entre os potenciais de -1,0 V até 5,0 V e para o aço inoxidável ISO 5832-9 de -1,0 V até 1,0 V, em solução de PBS (phosphate buffered saline), na velocidade de varredura de 50 mV/s (liga) e 10 mV/s (aço), a temperatura ambiente. Ensaios de voltametria cíclica e de potencial de circuito aberto foram realizados e a microscopia eletrônica de varredura (MEV) foi utilizada para a caracterização qualitativa. Após, caracterização eletroquímica, fios da liga Ti6Al4V e do aço inoxidável ISO 5832-9 foram submetidos a tratamento superficial eletroquímico e alguns foram imersos por 10 dias em SBF. O ensaio eletroquímico demonstrou que a liga Ti6Al4V tem um comportamento típico dos metais válvula, onde há o crescimento de um óxido de titânio estável do tipo barreira. Já para o aço inoxidável ISO 5832-9, percebe-se que o óxido mantém-se estável na superfície, mas trata-se de uma película mais fina distribuída de forma não uniforme sobre a superfície dos implantes. Já o estudo in vivo foi aprovado pela Comissão de Ética no Uso de Animais (CEUA /UFPR) onde 60 ratos foram divididos em grupos, sendo 2 grupos controle, 2 grupos tratamento anódico e 2 grupos com tratamento anódico + recobrimento de hidroxiapatita. Todos os animais foram submetidos à intervenção cirúrgica para implantação dos fios e logo após o período de 6 semanas estes foram ortotanasiados e os fios processados para análise por MEV. Assim, o comportamento eletroquímico é concordante com o teste in vivo onde as fotomicrografias sugerem a deposição mais uniforme de matriz óssea na superfície dos implantes, principalmente na liga de titânio, quando submetida ao tratamento por anodização ou anodização/HA, onde não houve espaçamento entre o implante e o tecido ósseo. Isso indica que a presença dos óxidos, crescidos potenciodinamicamente, melhora o processo de osseointegração. Em síntese, o contato direto entre osso/implante demonstra a eficiência deste tratamento superficial simples e de fácil controle dos parâmetros eletroquímicos.

Abstract: The choice of biomaterials for orthopedic implants is based on their properties and also according to the outcomes from in vitro and in vivo trials. Thus, titanium and alloys show the best performance in orthopedic replacements for having excellent properties such as mechanical and corrosion resistance. Stainless steel is widely used and accepted in medical applications, for being constituted by the chemical composition, chromium and nickel, which improves the mechanical properties and resistance to corrosive processes. In this study it was evaluated the osseointegration at implant - bone interface in the alloy Ti6Al4V and stainless steel ISO 5832-9, electrochemical treated by potenciodynamic and with hidroxyapatite (HA) by SBF (simulated body fluid). The growth of oxides was carried out on the alloy Ti6Al4V between the potential of -1,0 V to 5,0V and the stainless steel ISO 5832-9 between - 1,0 V to 1,0 V in PBS (phosphate buffered saline), at a scan rate of 50 mV/s (alloy) and 10mV/s (stainless), at room temperature. Assays of cyclic voltammetry and open circuit potential were performed and scanning electron microscopy (SEM) was used for qualitative characterization. After the electrochemical characterization, Ti6Al4V alloy wire and stainless steel ISO 5832-9 were subjected to electrochemical surface treatment and some were immersed in SBF for 10 days. The in vivo experiment was conducted with 60 rats divided into 6 groups, two control groups (n=10, each), two anodic treatment groups (n=10, each) and two anodic treatment + hidroxyapatite coating groups (n=10, each). All animals underwent surgery for implantation of the wires in the right tibia. After a period of six weeks the animals were euthanized and the bones were processed for SEM. The electrochemical test demonstrated that the alloy Ti6Al4V had a typical valve's metal's behavior, because it was found stable oxide titanium growing as barrier. It was observed for ISO 5832-9 stainless steel that oxide was maintained stable on the surface, but as a thinner film irregularly distributed on the surface of implants. This behavior was consistent with the in vivo test in which the photomicrographs showed uniform bone matrix deposition on the surface of bone implants, particularly in the titanium alloy, when subjected to anodizing or anodizing/HA treatment without space between implant and bone tissue.This indicates that the presence of oxides, potentiodinamyc grown, improves the process of osseointegration. In summary, the direct contact between bone/implant demonstrates the efficacy of this simple surface treatment and easy to control the electrochemical parameters.