Modificação da superfície de titânio com titanato para a adesão da apatita

Abstract

Biomateriais de compósito metal-cerâmica, tem ganhado destaque por oferecer formas de acelerar a regeneração e reabilitação. Neste trabalho estudou-se a modificação de superfície do titânio comercialmente puro (Ti-c.p.) criando-se ou depositando-se filmes de óxido de titânio (TiO2) contendo titanato de cálcio (CaTiO3) pelo método sol-gel associado a dip-coating ou utilizando-se a técnica de oxidação por plasma eletrolítico (PEO), seguida da deposição de filme de apatita via sol-gel associado a dip-coating. As estruturas presentes nos filmes foram caracterizadas por difratometria de raios X (DRX) com refinamento estrutural pelo método de Pawley, microscopia eletrônica de varredura (MEV), análise composicional por energia dispersiva de raios X (EDX), microscopia de força atômica (AFM), perfilometria, molhabilidade, determinação de ponto de carga zero (pHPZC), ensaios mecânicos por flexão de quatro pontos, ensaios de corrosão e biológicos. Os resultados de DRX mostraram que TiO2 sob estruturas de rutilo e anatase, bem como CaTiO3 compõe os filmes intemediários. O pHPZC foram de 7,3 e 6,8 para Ti-c.p. contendo camada de óxido de titânio com cálcio preparada pelo método sol-gel e Ti-c.p. com superfície oxidada por plasma eletrolítico (PEO), respectivamente. Diante disso, escolheu-se um método sol-gel cujo sol do precursor de apatita é estável em pH próximo a 6,0, para a sua deposição em filme sobre o Ti-c.p. modificado. Os resultados de DRX mostraram a obtenção de apatitas sob duas estruturas: hidroxiapatita (HAp) e β-fostato tricálcico (β-TCP). A rugosidade, analisada por AFM, diminuiu após a deposição de filmes de apatita sobre Ti-c.p. com e sem modificação. Em contrapartida, houve um aumento da molhabilidade (superfície mais hidrofílica). As espessuras dos filmes de apatita sobre Ti-c.p. foram de 1,5 μm, mas quando depositado sobre um filme intermediário de CaTiO3 obtido via sol-gel ou modificado por PEO foram respectivamente de 0,6 μm e 2,5 μm, promovendo um aumento da força de adesão do filme de apatita no substrato de titânio. Ambos os revestimentos diminuíram a taxa de corrosão. Os valores de tensão de flexão para um deslocamento de 1mm e módulo elasticidade não mudaram significativamente com as modificações feitas. O ensaio de toxicidade por contato direto demonstrou menor viabilidade de pré osteblatos nas superfícies modificadas via PEO, apatita e CaTiO3 com apatita. Por outro lado, a deposição de filmes de apatita sobre Ti-c.p. modificado via PEO aumentou expressivamente a viabilidade quando comparadas com a do controle. Na viabilidade estudada por contato indireto, as modificações não apresentaram diferenças em relação ao controle. A adesão de pré osteoblastos por contato direto foi maior em todas as amostras quando comparadas com a do controle. Em contrapartida, por contato indireto, não apresentou diferença significativa em comparação com o controle. Na análise de expressão gênica, o RTqPCR (Reação em Cadeia da Polimerase, quantitativa e em tempo real) demonstrou que as diferentes modificações de superfícies influenciaram a capacidade de modular a expressão de genes envolvidos na diferenciação osteoblástica e na síntese de matriz extracelular, expresso pelas diferenças encontradas nas metaloproteinases, assim como pelo estimulo angiogênico representado pela expressão de Vegf (fator de crescimento endotelial vascular).

Biomaterials based on metal-ceramic composite have received attention because they accelerate the regeneration and rehabilitation between the implant and bone. In this work, the surface of commercially pure titanium (c.p.-Ti) was modified by creating or depositing films of titanium oxide (TiO2) containing calcium titanate (CaTiO3) using sol gel method associated with dip-coating technique or by the electrolytic plasma oxidation (PEO), followed by deposition of apatite layer via sol-gel/dip-coating. The films were characterized by X-ray diffractometry (XRD) with structural refinement by Pawley's method, scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), atomic force microscopy (AFM), profilometry, wettability study, determination of zero charge point (pHPZC), four point bending tests (mechanical property), corrosion behavior study and biological assays. The XRD results showed that TiO2 under rutile and anatase structures as well as CaTiO3 formed in the sol-gel films. The pHPZCs were 7.3 and 6.8 for c.p.-Ti with calcium containing titanium oxide layer prepared by sol-gel method and c.p.-Ti oxidized by electrolytic plasma (PEO), respectively. Based on this results, a sol-gel method whose apatite precursor sol is stable at pH=6.0 was chosen for depositing it on the modified c.p.-Ti. The XRD results showed that apatites formed on c.p.-Ti are composed by hydroxyapatite (HAp) and β-tricalcium phosphate (β-TCP). The AFM analysis showed that the roughness decreased after the deposition of apatite layer on c.p.-Ti, independently of the modification. In contrast, the wettability increased becoming the surface more hydrophilic. The thicknesses of apatite films on c.p.-Ti were 1.5 μm, but when deposited on a CaTiO3 containing layer prepared via sol-gel and modified by PEO were 0.6 μm and 2.5 μm, respectively. Both coatings contributed to increase the corrosion resistance. Flexural stress required for a 1mm displacement and elasticity modulus did not change significantly with modifications. The direct contact toxicity test showed lower viability of pre-osteblates on surfaces modified via PEO, apatite and CaTiO3 with apatite. On the other hand, the deposition of apatite films on PEO-modified Ti-c.p. significantly increased viability when compared to the control. Regarding the viability studied by indirect contact, the modifications showed no differences in relation to the control. The adhesion of preosteoblasts by direct contact was higher in all samples when compared to that of the control. On the other hand, indirect contact showed no significant difference compared to the control. The gene expression analysis by RTqPCR (Real Time quantitative Polymerase Chain Reaction) showed that the different surface modifications influenced the ability to modulate the expression of genes involved in osteoblast differentiation and extracellular matrix synthesis, expressed by the differences found in metalloproteinases, as well as angiogenic