Desenvolvimento de filmes de óxido de titânio biofuncionalizados com gradiente estrutural e químico sobre a liga Ti-40Nb para aplicação em implantes osseointegrados

Abstract

A persistência de complicações após cirurgia de juntas artificiais tem indicado que ainda existe uma forte demanda por melhorias em materiais de implante ortopédico. Os requerimentos atuais para evitar os problemas clínicos mais frequentes envolvem resistência à tribocorrosão, baixo módulo de elasticidade, promoção rápida de osseointegração e ampla atividade antibacteriana. As ligas binárias de Ti-Nb chamam a atenção da comunidade científica principalmente pelo seu atrativo baixo módulo de Young, enquanto que a técnica de micro-arc oxidation (MAO) permite a biofuncionalização da superfície do implante de uma maneira versátil e de baixo custo. Portanto, este trabalho teve como objetivo investigar, pela primeira vez, um novo processo de funcionalização de superfícies pela técnica de MAO, consistindo na formação de camadas porosas incorporadas com agentes bioativos (Ca, P, Mg, Zn e Sr) e nanopartículas cerâmicas (ZrO2 NPs) gradualmente distribuídas na superfície da liga biomédica Ti-40Nb (%p.) para aplicação em implantes osseointegrados. Os revestimentos de MAO foram formados sob influência de diferentes valores de voltagem, com ou sem a presença de ZrO2 NPs no eletrólito. Os mecanismos gerais de crescimento do óxido e incorporação de ZrO2 NPs foram discutidos para as diferentes condições de processamento a partir de análises morfológicas, químicas e estruturais. O comportamento de tribocorrosão das novas superfícies foi elucidado para duas condições de carregamento em solução fisiológica. Os resultados indicaram que uma incorporação inerte melhorada de ZrO2 NPs pôde contribuir para a acomodação de estresses internos, e então retardar eventuais fenômenos de fragilidade e cracking associados a revestimentos de MAO ricos em rutilo durante vigorosas solicitações mecânicas.

The persistence of complications after artificial joint surgery has indicated that there is still an intense demand for improvements on orthopedic implant materials. Current requirements to avoid the most frequent clinical problems involve tribocorrosion resistance, low elastic modulus, fast promotion of osseointegration, and broad antibacterial activity. Binary Ti-Nb alloys are under attention of the scientific community mainly due to their attractive low Young’s modulus, whereas the micro-arc oxidation (MAO) technique allows the biofunctionalization of the implant surface in a versatile and low-cost way. Therefore, this work aimed at investigating, for the first time, a new process of surface functionalization by MAO technique, consisting on the formation of porous layers incorporated with bioactive agents (Ca, P, Mg, Zn, and Sr) and ceramic nanoparticles (ZrO2 NPs) gradually distributed on the surface of the biomedical Ti-40Nb alloy (wt.%) for osseointegrated implants. MAO coatings were formed under the influence of different processing voltages, with or without the presence of ZrO2 NPs in the electrolyte. The general mechanisms of oxide growth and incorporation of ZrO2 NPs were discussed for the different processing conditions, through morphological, chemical and structural analysis. The tribocorrosion behavior of the new surfaces was elucidated for two loading conditions in physiological solution. The results indicated that an improved inert incorporation of ZrO2 NPs could contribute to the accommodation of internal stresses, and then delay eventual phenomena of brittleness and cracking associated with rutile-rich MAO coatings during vigorous mechanical solicitations.