Influência da funcionalização de superfície por meio de oxidação por plasma eletrolítico na degradação/toxicidade do ferro-Estudos in vitro

O ferro emergiu como um material promissor para implantes biodegradáveis devido às suas excelentes propriedades mecânicas e funções bioquímicas essenciais. No entanto, sua aplicação clínica é limitada pela lenta taxa de degradação in vivo e pelo potencial estresse oxidativo induzido pelos íons Fe²⁺ liberados. A oxidação por plasma eletrolítico (PEO) é uma técnica versátil de modificação de superfície capaz de incorporar elementos bioativos e modular a interface implante-meio biológico. Este trabalho teve como objetivo funcionalizar a superfície do ferro puro por PEO, sintetizando revestimentos de fosfato de cálcio (CaP) com e sem a incorporação de estrôncio (Sr), elemento reconhecido por suas propriedades osteogênicas e imunomoduladoras. Foram desenvolvidos dois eletrólitos à base de glicerofosfato de cálcio, suplementados com acetato de cálcio (AcCa) ou acetato de estrôncio (AcSr), e aplicadas tensões de 400 V e 500 V. As superfícies resultantes foram caracterizadas quanto à morfologia, composição, estrutura, molhabilidade e comportamento à corrosão. A biocompatibilidade e resposta celular foram avaliadas in vitro com pré-osteoblastos da linhagem MC3T3-E1. Os revestimentos formados exibiram topografia porosa e heterogênea. As amostras tratadas com AcSr apresentaram camadas mais espessas (~28 µm a 400 V), enquanto as tratadas com AcCa resultaram em revestimentos mais finos (~5 µm). A análise por EDS e XPS confirmou a incorporação de Ca, P e Sr, evidenciando a formação da fase bioativa Ca₃(PO₄)₂ em todas as amostras modificadas, e um mecanismo de competição iônica entre Ca²⁺ e Sr²⁺ nos revestimentos com AcSr. Todos os revestimentos conferiram superhidrofilicidade (ângulo de contato < 5°) à superfície. Os ensaios eletroquímicos (potencial de circuito aberto e polarização potenciodinâmica), juntamente com os ensaios de imersão em solução de Hank, demonstraram que o PEO elevou a taxa de degradação inicial do ferro. Entretanto, as amostras processadas a 500 V resultaram em uma cinética de degradação mais gradual e valores finais mais baixos em comparação com as processadas a 400 V, sugerindo a formação de revestimentos com maior estabilidade a longo prazo. A liberação de íons Fe manteve-se em níveis seguros (< 5,5 mg/L após 30 dias) em todas as condições, encontrando-se abaixo do limiar de toxicidade celular. Os ensaios biológicos indiretos demonstraram que nenhuma condição foi citotóxica (viabilidade > 70%). A análise da expressão gênica mostrou que o ferro puro induziu um perfil inflamatório acentuado (alta expressão de IL-1β, IL-6, IL-18), enquanto os revestimentos PEO, principalmente os obtidos com AcCa, atenuaram essa resposta pró-inflamatória. As amostras com AcSr, independentemente da tensão, apresentaram níveis mais elevados de IL-6 em comparação às com AcCa, indicando um perfil inflamatório mais pronunciado. A condição Fe500-AcSr destacou-se ainda pela maior expressão da anti-inflamatória IL-10 e pela mais intensa ativação de vias de adesão (Integrinas, FAK, Src, Cofilina) entre os grupos tratados, sugerindo uma resposta celular complexa que pode representar regulação eficaz ou mecanismo compensatório. Conclui-se que a técnica de PEO foi eficaz para funcionalizar o ferro, criando revestimentos bioativos que modulam a degradação, conferem superhidrofilicidade e ajustam positivamente a resposta biológica. As condições processadas a 400 V aceleraram a cinética de degradação em comparação com 500 V. Em relação aos perfis biológicos, observou-se que o eletrólito AcCa proporcionou melhor controle inflamatório, enquanto o AcSr promoveu maior estímulo à adesão celular, porém com resposta inflamatória mais acentuada.

Resumo (inglês)

Iron has emerged as a promising material for biodegradable implants due to its excellent mechanical properties and essential biochemical functions. However, its clinical application is limited by the slow in vivo degradation rate and the potential oxidative stress induced by released Fe²⁺ ions. Plasma electrolytic oxidation (PEO) is a versatile surface modification technique capable of incorporating bioactive elements and modulating the implant-biological interface. This study aimed to functionalize pure iron surfaces by PEO, synthesizing calcium phosphate (CaP) coatings with and without the incorporation of strontium (Sr), an element recognized for its osteogenic and immunomodulatory properties. Two electrolytes based on calcium glycerophosphate, supplemented with calcium acetate (AcCa) or strontium acetate (AcSr), were developed and applied at voltages of 400 V and 500 V. The resulting surfaces were characterized in terms of morphology, composition, structure, wettability, and corrosion behavior. Biocompatibility and cellular response were evaluated in vitro using MC3T3-E1 pre-osteoblasts. The formed coatings exhibited a porous and heterogeneous topography.AcSr-treated samples presented thicker layers (~28 µm at 400 V), while AcCa-treated samples resulted in thinner coatings (~5 µm). EDS and XPS analysis confirmed the incorporation of Ca, P, and Sr, evidencing the formation of the bioactive Ca₃(PO₄)₂ phase in all modified samples, and an ionic competition mechanism between Ca²⁺ and Sr²⁺ in the AcSr coatings. All coatings conferred superhydrophilicity (contact angle < 5°) to the surface. Electrochemical tests (open circuit potential and potentiodynamic polarization), together with immersion tests in Hank's solution, demonstrated that PEO increased the initial degradation rate of iron. However, samples processed at 500 V resulted in a more gradual degradation kinetics and lower final values compared to those processed at 400 V, suggesting the formation of coatings with greater long-term stability. Fe ion release remained at safe levels (< 5.5 mg/L after 30 days) in all conditions, below the cellular toxicity threshold. Indirect biological assays showed that no condition was cytotoxic (viability > 70%). Gene expression analysis revealed that pure iron induced a pronounced inflammatory profile (high expression of IL-1β, IL-6, IL-18), while PEO coatings, especially those obtained with AcCa, attenuated this pro-inflammatory response. AcSr samples, regardless of voltage, presented higher levels of IL-6 compared to AcCa ones, indicating a more pronounced inflammatory profile. The Fe500-AcSr condition stood out for its higher expression of the anti-inflammatory IL-10 and the most intense activation of adhesion pathways (Integrins, FAK, Src, Cofilin) among the treated groups, suggesting a complex cellular response that may represent effective regulation or a compensatory mechanism. It is concluded that the PEO technique was effective in functionalizing iron, creating bioactive coatings that modulate degradation, confer superhydrophilicity, and positively adjust the biological response. Conditions processed at 400 V accelerated degradation kinetics compared to 500 V. Regarding biological profiles, it was observed that the AcCa electrolyte provided better inflammatory control, while AcSr promoted greater stimulation of cell adhesion, but with a more pronounced inflammatory response.

Palavras-chave

Biomateriais, Ferro Biodegradável, Oxidação por Plasma Eletrolítico (PEO), Cinética de Degradação, Funcionalização da Superfície

Idioma

Português

Citação

RANGEL, R. C. R. Influência da funcionalização de superfície por meio de oxidação por plasma eletrolítico na degradação/toxicidade do ferro-Estudos in vitro. 2026. Tese (Doutorado em Ciências dos Materiais) - Universidade Estadual Paulista (UNESP), Faculdade de Engenharia, Ilha Solteira, 2026.