Influência da oxidação por micro-arco na biocompatibilidade da liga Ti-6Al-4V: modulação de vias de sinalização e regulação epigenética

O titânio e suas ligas são amplamente utilizados em implantes ortopédicos e odontológicos devido às suas excelentes propriedades, como biocompatibilidade, resistência à corrosão e razão entre resistência mecânica e densidade, quando comparados a outras ligas comumente empregadas na área biomédica. Entre as ligas de titânio utilizadas globalmente em aplicações ortopédicas, a Ti-6Al-4V destaca-se como a mais prevalente, sendo amplamente empregada em dispositivos submetidos a carga, como próteses de substituição total de quadril (Total Hip Replacement – THR) e de joelho (Total Knee Replacement – TKR). Entretanto, essa liga contém elementos potencialmente citotóxicos, como o vanádio, associado a reações alérgicas, e o alumínio, relacionado a desordens neurológicas em exposições prolongadas. Nesse contexto, modificações superficiais em biomateriais metálicos são essenciais para reduzir a degradação pós-implantação e favorecer a interação biológica em implantes ortopédicos submetidos a elevadas cargas mecânicas. Diante disso, o presente estudo teve como objetivo a funcionalização da superfície da liga Ti-6Al-4V por meio da técnica de oxidação por micro-arco (MAO), visando ao aprimoramento de suas propriedades biológicas e à avaliação de sua biocompatibilidade in vitro, com enfoque em aplicações ortopédicas, especialmente em sistemas de THR e TKR. Os recobrimentos foram obtidos com eletrólitos enriquecidos em cálcio e fósforo, contendo diferentes óxidos de metais de transição. O desempenho tribológico foi avaliado por meio de ensaios de tribocorrosão, enquanto a resposta biológica in vitro foi investigada com células MC3T3-E1 e aMSCs, por meio de ensaios de viabilidade celular, expressão gênica, mecanismos de regulação epigenética, atividade de metaloproteinases, diferenciação osteogênica e atividade antimicrobiana. Os resultados demonstraram que os revestimentos obtidos por MAO atuaram como uma barreira protetora inicial durante o deslizamento, retardando a degradação superficial do Ti-6Al-4V. Do ponto de vista biológico, as superfícies funcionalizadas favoreceram a proliferação celular e estimularam a expressão de genes associados à adesão e ao ciclo celular em células pré-osteoblásticas MC3T3-E1. Em células-tronco mesenquimais derivadas do tecido adiposo (aMSCs), os revestimentos apresentaram elevada citocompatibilidade e promoveram diferenciação osteogênica, além de exibirem atividade antimicrobiana significativa, evidenciando seu potencial para aplicações ortopédicas

Resumo (inglês)

Titanium and its alloys are widely used in orthopedic and dental implants due to their excellent biocompatibility, high corrosion resistance, and outstanding strength-todensity ratio when compared to other alloys commonly employed in biomedical applications. Among the titanium alloys used worldwide for orthopedic applications, Ti6Al-4V is the most prevalent, widely used in load-bearing devices such as Total Hip Replacement (THR) and Total Knee Replacement (TKR) prostheses. However, this alloy contains potentially cytotoxic elements, such as vanadium, which is associated with allergic reactions, and aluminum, which has been linked to neurological disorders under prolonged exposure. In this context, surface modifications of metallic biomaterials are essential to reduce post-implantation degradation and to enhance biological interactions in orthopedic implants subjected to high mechanical loads. Accordingly, this study aimed to functionalize the surface of the Ti-6Al-4V alloy through micro-arc oxidation (MAO) to improve its biological properties and evaluate its in vitro biocompatibility, with a focus on orthopedic applications, particularly THR and TKR systems. The coatings were produced using electrolytes enriched with calcium and phosphorus, containing different transition metal oxides. Tribological performance was assessed through tribocorrosion tests, while the in vitro biological response was investigated using MC3T3-E1 pre-osteoblastic cells and adipose tissue-derived mesenchymal stem cells (aMSCs), through cell viability assays, gene expression analysis, epigenetic regulatory mechanisms, matrix metalloproteinase activity, osteogenic differentiation, and antimicrobial activity. The results demonstrated that the MAO-derived coatings acted as an initial protective barrier during sliding, delaying the surface degradation of Ti-6Al-4V. From a biological standpoint, the functionalized surfaces promoted cell proliferation and stimulated the expression of genes associated with adhesion and cell cycle progression in MC3T3-E1 cells. In adipose-derived mesenchymal stem cells, the coatings exhibited high cytocompatibility, promoted osteogenic differentiation, and displayed significant antimicrobial activity, highlighting their potential for orthopedic applications.

Palavras-chave

Materiais biomédicos Biocompatibilidade Epigenética Revestimentos Implantes ortopédicos

Idioma

Português

Citação

CORRÊA, Mariana Rocha. Influência da oxidação por micro-arco na biocompatibilidade da liga Ti-6Al-4V: modulação de vias de sinalização e regulação epigenética. 2026. 70 f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Tecnologia de Materiais) – Faculdade de Ciências, Universidade Estadual Paulista (UNESP), Bauru, 2026.