Por que o titânio se liga ao corpo humano: explicação da biocompatibilidade

O que realmente significa afinidade de titânio para o corpo humano

O titânio não é absorvido pelo tecido vivo e não se liga quimicamente a ele da mesma forma que um enxerto ósseo. Quando os médicos descrevem o titânio como tendo uma elevada afinidade para o corpo humano, eles querem dizer duas coisas mensuráveis: o metal é efetivamente inerte no ambiente fisiológico e o tecido ósseo cresce diretamente na sua superfície e fixa-se mecânica e biologicamente nela. O titânio é, portanto, selecionado para implantes e componentes de instrumentos não porque seja exótico, mas porque satisfaz ao mesmo tempo resistência à corrosão, inércia biológica, capacidade de osseointegração e resistência à fadiga, numa combinação que outros metais lutam para igualar.

O filme de óxido passivo: a fonte da resistência à corrosão

O comportamento do titânio no corpo é governado por uma fina e tenaz camada de óxido que se forma espontaneamente sempre que o metal é exposto ao oxigênio, mesmo à temperatura ambiente do ar. Este filme passivo tem apenas alguns nanômetros de espessura, mas adere firmemente, é insolúvel em fluidos corporais e é quimicamente impermeável, separando o metal abaixo do tecido circundante e evitando a liberação de íons. Se o filme for arranhado durante o manuseio ou durante a cirurgia, ele se reforma quase imediatamente na presença de oxigênio, e é por isso que os componentes de titânio podem ser limpos e re{2}}passivados sem perder sua resistência à corrosão.

As consequências desse filme são práticas. Os implantes não são atacados pelo ambiente-rico em cloreto do fluido corporal, a corrosão galvânica entre o titânio e os componentes metálicos adjacentes é limitada e a liberação de íons metálicos no tecido circundante permanece em um nível muito baixo durante a vida útil projetada do dispositivo.

Características de superfície que governam a resposta celular

Uma vez que um dispositivo está dentro do corpo, sua superfície é a única parte com a qual o tecido pode interagir, portanto a biocompatibilidade é um problema de engenharia de superfície tanto quanto um problema de materiais. As propriedades que determinam como as células respondem são a energia superficial, a molhabilidade, a resistência espacial do local, a disponibilidade de locais de ligação e a topografia da superfície.

Molhabilidade e energia superficial.Uma superfície limpa e de alta{0}}energia promove a adsorção de proteínas em uma conformação favorável e apoia a adesão e proliferação celular. Uma superfície contaminada ou de baixa{2}}energia produz uma cápsula fibrosa em vez de aposição direta.

Topografia.Superfícies micro{0}}ásperas produzidas por jateamento, ataque ácido ou anodização fornecem ancoragem para osteoblastos e são amplamente utilizadas para dispositivos odontológicos e ortopédicos, enquanto superfícies polidas são preferidas onde o dispositivo deve articular.

Química.Revestimentos de nitreto de titânio são aplicados em alguns implantes e em componentes de instrumentos cirúrgicos para aumentar a dureza da superfície e a resistência ao desgaste, mantendo a biocompatibilidade subjacente.

Esterilização.A esterilização deve preservar o estado da superfície. Resíduos de usinagem, compostos de polimento ou manuseio podem prejudicar até mesmo um tratamento de superfície especificado corretamente.

Osseointegração e Cicatrização Óssea

A osseointegração é a conexão estrutural e funcional direta entre o osso vivo e a superfície carregada de um implante, sem a intervenção de uma camada de tecido mole. O Titanium suporta isso por vários motivos. O óxido superficial tem alta constante dielétrica e não desnatura as proteínas que entram em contato com ele, portanto o corpo não trata o implante como um corpo estranho que deve ser isolado. O titânio também tem a capacidade de formar uma ligação física com o osso, razão pela qual não depende de adesivos ou cimento para permanecer fixado, e por que um implante de titânio requer consideravelmente mais força para se desalojar do que um dispositivo cimentado de um material diferente. A microestrutura e a alta energia superficial do titânio também apoiam a angiogênese, a formação de novos vasos sanguíneos ao redor do implante, que é uma pré-condição para a remodelação óssea e fixação de longo prazo.

Comportamento Eletroquímico e Mecânico em Serviço

O titânio pode exibir vários potenciais de eletrodo padrão dependendo do seu estado de oxidação, e o titânio sólido tende a ser oxidado em vez de reduzido, que é a expressão eletroquímica do mesmo comportamento passivo do filme descrito acima. Sob condições onde o filme passivo não pode se reformar - por exemplo em uma fenda sem suprimento de oxigênio e com presença de flúor - a corrosão torna-se possível, e é por isso que o design do dispositivo evita fendas profundas na interface do tecido.

Classes e padrões usados ​​para dispositivos médicos

Duas famílias dominam. O titânio comercialmente puro, coberto pela ASTM F67 e pelas partes correspondentes da ISO 5832-2, oferece a melhor ductilidade e resistência à corrosão e é usado para implantes dentários, placas craniofaciais e revestimentos porosos. A liga alfa-beta Ti-6Al-4V, em sua forma intersticial extra baixa, é coberta pela ASTM F136 e ISO 5832-3 e é usada onde é necessária maior resistência, como hastes de quadril e parafusos ósseos. As especificações médicas chinesas correspondem ao sistema de classificação GB/T 13810, e os padrões de produtos forjados equivalentes para estoque industrial e médico incluem ASTM B265 para chapas e chapas e ASTM B348 para barras e tarugos. A seleção da classe deve corresponder tanto à resistência mecânica exigida quanto à rota de tratamento de superfície, porque as superfícies anodizadas e jateadas se comportam de maneira diferente em classes puras e com liga.

Para conjuntos de instrumentos que não são implantados, mas são esterilizados repetidamente, a mesma resistência à corrosão e baixa liberação de íons tornam o titânio uma escolha apropriada, embora classes inoxidáveis-de custo mais baixo sejam frequentemente usadas onde a demanda por corrosão é menor.

Perguntas frequentes

P: Por que o titânio é considerado o metal mais biocompatível?
Porque combina um filme de óxido passivo estável, resistência ao ataque de fluidos corporais, inércia biológica, capacidade de integração direta com o osso e um alto limite de fadiga, que juntos permitem que um dispositivo permaneça funcional durante anos sem provocar uma reação imunológica.

P: O que exatamente é osseointegração?
É a conexão direta entre o osso vivo e a superfície carregada de um implante, sem nenhuma camada de tecido mole entre eles. O titânio o suporta porque sua superfície de óxido não desnatura proteínas e não desencadeia a resposta de encapsulamento que outros materiais provocam.

P: Por que o filme de óxido é tão importante?
É a razão pela qual o metal é inerte. O filme tem apenas nanômetros de espessura, mas é insolúvel, impermeável e auto{1}}reparável, por isso isola o metal do fluido corporal e mantém a liberação de íons extremamente baixa.

P: Qual grau de titânio é usado para implantes?
Classes comercialmente puras de acordo com ASTM F67 para implantes dentários e dispositivos craniofaciais, e Ti-6Al-4V intersticial extra baixo de acordo com ASTM F136 onde é necessária maior resistência, com classes ISO 5832 e GB/T 13810 correspondentes.

P: Por que é necessário o tratamento de superfície se o material já é biocompatível?
Porque o tecido só entra em contato com a superfície. Rugosidade, molhabilidade, limpeza e revestimento determinam se as células aderem e proliferam, portanto a superfície deve ser projetada para corresponder à resposta biológica pretendida.

P: O titânio pode sofrer corrosão dentro do corpo, apesar da película de óxido?
Em condições normais isso não acontece, mas uma fenda sem fornecimento de oxigênio combinada com a exposição ao flúor pode impedir a reforma do filme. O design do dispositivo evita, portanto, fissuras profundas e áreas estagnadas na interface do tecido.