Desenvolvimento e caracterização de novas superfícies de titânio modificadas com estrôncio e cálcio

Abstract

O desenvolvimento de superfícies de implantes com capacidade de modular o turnover ósseo em direção à osteogênese para alcançar rapidamente uma osseointegração rígida e duradoura é necessário para melhorar ainda mais a taxa de sucesso clínico das cirurgias de implantes, prolongar sua vida útil e estender sua aplicabilidade em situações clínicas desafiadoras. Neste contexto, implantes carregados com Cálcio (Ca) e Estrôncio (Sr) podem apresentar potencial osteogênico e trazer resultados promissores. Neste estudo, foram avaliados os efeitos da adição de Sr e a combinação de Sr e Ca em superfície micronanotopográfica de titânio comercialmente puro. Para incorporação destes elementos, os revestimentos foram aplicados em condições hidrotérmicas. Células pré-ostoblásticas da linhagem MC3T3-E1 foram utilizadas para avaliação da biocompatibilidade e do comportamento biológico das superfícies em um modelo in vitro. Foram avaliados adesão, espraiamento e morfologia celular por fluorescência direta e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV); viabilidade celular por Alamar Blue®, atividade da enzima fosfatase alcalina, expressão gênica de marcadores osteogênicos por RT-qPCR e expressão proteica de marcadores osteogênicos por Ensaio de Imunoabsorção Enzimática (ELISA). Ensaios de (MEV), Espectroscopia de raios X de energia dispersiva (EDS); microscopia de força atômica (MFA); molhabilidade; perfil de liberação de Sr e Ca, resistência à corrosão e estabilidade eletroquímica também foram realizados na caracterização das superfícies. O nível de significância adotado nas análises estatísticas foi de 5%. Os resultados demostraram que o tratamento hidrotérmico é efetivo na incorporação dos elementos em uma superfície micronanotopográfica, mantendo uma liberação dos íons controlada por mais de 21 dias. Ensaios eletroquímicos evidenciaram benefício do tratamento hidrotermal com a dopagem dos elementos no aumento da resistência à corrosão. Os resultados biológicos indicaram que implantes com capacidade osteogênica carregados com Ca e Sr podem trazer resultados promissores, melhorando os marcadores ósseos de osteogênese e osseointegração. Os grupos tratados com Sr e Sr/Ca potencializaram os resultados da superfície comercial micronanotopográfica. Não foram observadas grandes diferenças entre os grupos dopados, sugerindo que a incorporação de Sr sozinha é suficiente para impulsionar eventos relacionados à osteogênese e à osseointegração em um modelo in vitro.

The development of implant surfaces with the ability to modulate bone turnover towards osteogenesis in order to rapidly achieve rigid and long-lasting osseointegration are needed further to improve the clinical success rate of implant surgeries, prolong implant life and, extend their applicability in challenging clinical situations. In this context, implants loaded with Calcium (Ca) and Strontium (Sr) may have osteogenic potential and bring promising results. This study aims to evaluate the effect of adding Sr and the combination of Sr and Ca to the micronanotopographic surface of commercially pure titanium. To incorporate these elements, the coatings were applied under hydrothermal conditions. Pre-ostoblastic cells of the MC3T3-E1 strain were used to evaluate the biocompatibility and biological behavior of the surfaces in an in vitro model. Cell adhesion, spreading, and morphology were evaluated by direct fluorescence and Scanning Electron Microscopy (SEM); cell viability with Alamar Blue®, alkaline phosphatase enzyme activity, gene expression of osteogenic markers by RT-qPCR and protein expression of osteogenic markers by Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA). SEM, energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), atomic force microscopy (AFM), wettability, Sr and Ca release profile, corrosion resistance, and electrochemical stability tests were also carried out to characterize the surfaces. The level of significance adopted in the statistical analysis was 5%. The results show that hydrothermal treatment is effective in incorporating the elements into a micronanotopographic surface, maintaining a controlled release of ions for more than 21 days. Electrochemical tests show the benefit of hydrothermal treatment with element doping in increasing corrosion resistance. The biological results indicate that implants with osteogenic capacity loaded with Ca and Sr can bring promising results, improving bone markers of osteogenesis and osseointegration. The groups treated with Sr and Sr/Ca enhanced the results of the commercial micronanotopographic surface. No major differences were observed between the doped groups, suggesting that the incorporation of Sr alone is sufficient to boost events related to osteogenesis and osseointegration in an in vitro model.