BR102017020298B1 - Processo de alteração nano morfológica superficial em implantes osseointegráveis - Google Patents

Abstract

trata-se de uma osseointegração otimizada em implantes intraósseos, permitindo otimizar as superfícies dos implantes, melhorando a sua molhabilidade e a ligação na interface implante/tecido ósseo, podendo ser realizado em todo o implante, ou parcialmente em áreas de sua superfície, sem alterar a macro e micro rugosidade do implante utilizado, por fim, tal processo, garante à superfície dos implantes intraósseos uma nano morfologia própria, aumentando consideravelmente a área superficial específica e modificando a característica hidrofóbica da superfície, tornando-a altamente hidrofílica.

Description

[001] Refere-se a presente patente de invenção a um processo de alteração nano morfológica superficial em implantes intraósseos, mais especificamente a um processo de osseointegraçao otimizada em implantes osseointegráveis para utilização na área médica obtendo uma superfície com maior área superficial específica e altamente hidrofílica.

[002] Atualmente, um requisito para o fenômeno da osseointegração é a ligação direta, estrutural e funcional entre o osso in vivo e o material aloplástico, sem a interposição de tecido conjuntivo (BRANEMARK et al, 1977). O desempenho de um implante dental e ortopédico pode ser influenciado pela qualidade da interface implante-tecido ósseo.

[003] Enquanto um alto nível de estabilidade primária é alcançado pelo atrito entre implante e osso, a estabilidade inicial diminui entre 2 e 4 semanas devido à necrose por compressão do osso em torno do implante dentário e posterior remodelação óssea. Este processo é descrito como lacuna de estabilidade do implante, onde a estabilidade primária é perdida, devido à remodelação interfacial mediada por células, que será recuperada posteriormente através da aposição óssea.

[004] A estabilidade mecânica, ou estabilidade primária, é influenciada pela macrogeometria e microtopografia da superfície do implante, bem como pela preparação do local da osteotomia do implante, que têm influência sobre a interface osso-implante e ao padrão de cicatrização. Deve-se enfatizar que a estabilidade inicial não pode ser considerada como osseointegração, pois o fenômeno de osseointegração é o produto de uma complexa sequência de eventos que caracterizam a cicatrização peri-implantar, na qual a osteocondução e a formação óssea são os mecanismos-chave.

[005] Desde o final dos anos 90, a literatura tem demonstrado que a osseointegração é melhorada e acelerada através de vários métodos de modificação da micromorfologia da superfície do implante, tais como jateamento com areia, ataque ácido e oxidação anódica. Atualmente, as superfícies de implante com microtopografias e textura moderada (Sa entre 1 e 2 micrômetros) são fornecidas para os principais implantes disponíveis comercialmente devido à interação benéfica entre o implante e os tecidos biológicos.

[006] O desenvolvimento da interface implante / tecido ósseo depende de inúmeros fatores, incluindo a área específica superficial, carga superficial, micro e nano topografia e a química da superfície. Para otimizar a cicatrização óssea ao redor do implante, características como a molhabilidade e a área superficial específica podem apresentar um grande impacto na área biomédica. Recentemente, vêm sendo observado melhores resultados em estudos in vitro e in vivo, não somente pelos tratamentos superficiais com o controle da rugosidade em escala micrométrica, mas também pela presença de nanoestruturas. É sugerido que as células aderem preferencialmente em limites/interfaces das partículas. Como ocorrem mais limites/interfaces para as nanopartículas, mais células aderem a superfícies com esta característica. A adesão das células osteoblásticas é um pré-requisito para as primeiras etapas da osseointegração, por isso as superfícies com nanopartículas devem acelerar o processo de cicatrização. (WEBSTER & EJIOFOR, 2004).

[007] A adesão e o crescimento celular são altamente influenciados pelas interações das proteínas do sangue com a superfície do implante (LEE et al., 2010). A conformação molecular das proteínas é sensível à natureza da superfície. Por consequência, as características da superfície do implante determinam a disponibilidade de sequências peptídicas das proteínas, que é um fenômeno conhecido por afetar a adesão e o comportamento celular. Enquanto estudos indicam que as superfícies hidrofóbicas possam desnaturalizar parcialmente as proteínas, fazendo com que os locais de ligação das células sejam menos acessíveis e resultem numa baixa adesão celular; as superfícies hidrofílicas, quando em contato com o sangue e os fluidos biológicos, promovem a adsorção de proteínas, expondo mais pontos focais para as células e, por assim, aumentando a adesão celular. Portanto, a micro e nanotopografia do implante desempenham um papel importante na adsorção de proteínas, afetando a migração e a ligação das células mesenquimais à superfície (PULEO & NANCI, 1999).

[008] Embora as nanoestruturas das superfícies possam regular a proliferação de osteoblastos, a diferenciação de osteoblastos não é sensivelmente afetada na ausência de rugosidades em microescala. No entanto, a combinação na rugosidade de superfície em escala micro e sub-micrométrica com uma alta densidade de estruturas em nanoescala resultam em uma maior diferenciação celular e produção de fatores de crescimento celular local (GITTENS et al, 2011).

[009] No entanto, atualmente, percebe-se que o mercado de implantes dentais adotou como padrão bem-sucedido as superfícies obtidas por uma dada sequência de tratamentos ácidos ou por anodização, que demonstram alta hidrofobicidade como, por exemplo, nas patentes US5603338, US5863201, US6652765, US20100187172. Uma temporária diminuição dessa hidrofobicidade pode ser obtida pela limpeza superficial e correto armazenamento dos implantes em soluções ou atmosferas inertes.

[010] De acordo com a patente CN102912349B, a hidrofilicidade só é obtida através da alteração superficial do titânio na escala micro e nanométrica. Recentemente, KOKUBO & YAMAGUCHI (2015) e a patente US9131995B2 propõem a criação de uma micro e nanorugosidade superficial no titânio após imersão em soluções com elevadas concentrações alcalinas (acima de 5M), prolongados tempos de tratamento e temperaturas até 100oC.

[011] Dadas as informações acima referentes ao que é de conhecimento público, bem como propor uma nova alternativa que possibilita o aumento na hidrofilicidade com a criação de uma nanoestrutura, sem a modificação da microrugosidade pré-existente, foi desenvolvido o processo de alteração nano morfológica superficial em implantes intraósseos.

[012] O processo de alteração nano morfológica superficial em implantes osseointegráveis, bem como seus resultados, poderão ser melhor descritos e ilustrados através da descrição detalhada em consonância com as seguintes figuras em anexo, onde: FIGURA 01 Apresenta a eletromicrografia da superfície do implante osseointegrável em altas magnificações e a análise de sua nanotopografia em 3D por microscopia de força atômica (AFM). FIGURA 02 Apresenta a eletromicrografia da superfície do implante, em altas magnificações, após o processo de alteração nano morfológica superficial e a verificação do aumento de sua área superficial específica através da análise por AFM de sua nanotopografia em 3D. FIGURA 03 Apresenta a espessura da superfície do implante intraósseo - controle - e a espessura da superfície após o processo de alteração nano morfológica nos implantes intraósseos, respectivamente, através da análise eletromicroscópica e preparo da amostra por feixe de íons focalizado (FIB). (a) solução alcalina de 0,05M ou 0,1M KOH e 1 hora de tratamento termoquímico entre 60oC e 70oC; (b) solução alcalina acima de 1M KOH e 180 minutos de tratamento termoquímico a 70oC. FIGURA 04 Apresenta o mapeamento por EDS da superfície após tratamento realizado nessa invenção do processo de alteração nano morfológica superficial em implantes intraósseos (mapeamento dos elementos Ti e K, respectivamente). FIGURA 05 Apresenta o comportamento hidrofóbico dos implantes osseointegráveis após 30 dias de exposição ao ar e a medição do ângulo de contato, de acordo com o Método Sessile-drop. FIGURA 06 Apresenta o comportamento do implante intraósseo, que apresenta propriedade hidrofílica, mesmo após 30 dias exposto ao ar devido ao processo de alteração nano morfológica superficial em implantes intraósseo, e a medição do ângulo de contato, de acordo com o Método Sessile-drop. FIGURA 07 Apresenta os resultados de ensaios in vitro de adesão e proliferação nas superfícies do implante intraósseo e nas superfícies com alteração nano morfológica em implantes intraósseos. FIGURA 08 Apresenta os resultados de ensaio in vitro de viabilidade celular nas superfícies do implante intraósseo e nas superfícies com alteração nano morfológica em implantes intraósseos.

[013] Em conformidade com as figuras observa-se que o processo de alteração nano morfológica superficial em implantes intraósseos compreende uma otimização das superfícies de implantes osseointegráveis, melhorando a sua molhabilidade e a ligação na interface implante-tecido ósseo.

[014] Este processo garante à superfície do implante intraósseo uma nano morfologia própria (Figura 02), aumentando consideravelmente a área superficial específica e modificando a característica hidrofóbica da superfície, tornando-a hidrofílica. Esta alteração nano superficial possui a morfologia de nano fibras com espessura menor que 40 nm (Figura 03). Este resultado é obtido utilizando um método termoquímico, onde o implante osseointegrável é imerso em um banho básico e/ou ácido a uma dada temperatura durante um período variável de tempo. Este processo pode ser realizado em todo o implante, ou parcialmente em áreas de sua superfície, sem alterar a macro e micro rugosidade do implante utilizado. Podendo, assim, o implante apresentar o terço coronário hidrofóbico e os dois terços apical hidrofílico para maximizar o processo de osseointegração.

[015] O processo de alteração superficial da nano morfologia nas superfícies dos implantes demonstrou uma diferença na área superficial específica de 112,8%, em comparação a uma superfície plana (100%), ao utilizar baixas concentrações da solução básica.

[016] A molhabilidade da superfície dos biomateriais pode ser determinada pela medição do ângulo de contato, de acordo com o Método Sessile-drop. Na figura 6, a superfície obtida pelo processo da presente invenção apresenta um ângulo de contato inferior a 5° no tempo t = 0s (altura do primeiro contato da gotícula do líquido com a superfície). A gota se espalha completamente na superfície num tempo abaixo de 30 ms. Tal comportamento é típico para superfícies altamente hidrofílicas. Este comportamento é substancialmente mantido se o contato da superfície do implante com o ar for evitado. Para isso, é recomendado o armazenamento do implante em atmosfera inerte. O interior do invólucro deve ser de preferência preenchido com gases que são inertes para a superfície do implante, tais como: oxigênio, argônio, nitrogênio, gases nobres ou uma mistura de tais gases. Mesmo após 30 dias expostos ao ar, o procedimento de nano alteração morfológica nas superfícies dos implantes osseointegráveis manteve a sua propriedade hidrofílica.

[017] Percebe-se que o processo possui três variáveis: banho químico, temperatura e tempo, explicadas a seguir. O banho químico consiste em uma solução alcalina (KOH, NaOH, NH4OH, entre outras bases fortes, e/ou mistura destes reagentes), podendo ter uma segunda etapa de banho químico em solução de caráter ácida (HCl, H2SO4, CaCl2, Ca2SO4, entre outros, e/ou mistura destes reagentes), separados ou misturados em diferentes proporções. A molaridade da solução pode variar entre 0,01 e 1 M. A temperatura é um fator que depende diretamente da concentração utilizada no banho químico, podendo variar entre 30 oC e 150 oC. Aumenta-se a temperatura conforme diminui-se a concentração. O tempo é um fator dependente tanto da concentração quanto da temperatura, onde, aumentando-se a concentração ou a temperatura diminui-se o tempo, que pode variar entre 1 minuto e 180 minutos de tratamento. Preferencialmente, é utilizada uma solução alcalina de 0,05M ou 0,1M KOH e 1 hora de tratamento termoquímico entre 60oC e 70oC, obtendo uma alteração nano superficial com espessuras menores que 100 nm.

[018] Enquanto nas menores concentrações alcalinas, entre 0,05M e 0,1M KOH, garante-se uma alteração nano superficial com espessura menor que 40 nm no período de tempo de 60 minutos e na temperatura de tratamento termoquímico a 60° C (Figura 3a); os tratamentos alcalinos acima de 1M, fornecem espessura acima de 100 nm no período de tempo de, 180 minutos, e na temperatura de tratamento termoquímico a 70° C (Figura 3b).

[019] É possível adicionar uma etapa final de uma solução ácida de 0,05M ou 0,1M HCl, durante o intervalo de 30 min e 1 hora de tratamento termoquímico entre 60oC e 70oC, para manutenção de uma nano morfologia superficial (menor que 100nm), retirando os íons K da superfície (Figura 3 b).

[020] Durante ou após a imersão do implante, é realizado vácuo, podendo variar entre 10 a 10-5 mbar, preferencialmente, utilizando-se um vácuo a 10-2 mbar, para que ocorra a retirada das bolhas de ar presentes na micro rugosidade da superfície do implante e, assim, possibilite o contato da solução com toda a superfície pelo tempo entre 1 e 150 min, preferencialmente, 30 min. Após a etapa de imersão, os implantes serão secos em temperatura ambiente, e/ou em estufa, obtendo assim a estrutura superficial nanométrica após processo termoquímico com os específicos íons da solução utilizada. Esta etapa de vácuo é utilizada para que o contato superfície-solução alcalina ocorra de forma otimizada.

[021] As mudanças físico-químicas nas superfícies dos implantes osseointegráveis podem aumentar a hidrofilicidade de sua superfície. Um implante hidrofílico exibe uma concentração reduzida de carbono, o que resulta em um aumento na quantidade de oxigênio em sua superfície. A partir da hipótese que a formação de uma superfície de óxido hidroxilado aumenta a reatividade em relação aos íons, a etapa de tratamento térmico irá otimizar a etapa de banho químico com a baixa concentração da solução básica.

[022] O processo de alteração superficial da nano morfologia em implantes osseointegráveis possui duas etapas de tratamento térmico do implante entre 300oC e 700oC durante o tempo que pode variar entre 1 segundo e 60 minutos. O primeiro tratamento térmico é utilizado para a volatilização de impurezas orgânicas, como os hidrocarbonetos na superfície dos implantes, o que confere uma otimização do banho químico. Ao final, o segundo tratamento térmico é utilizado para a manutenção da hidrofilicidade em longo prazo, devido ao aumento da reatividade com os aminoácidos e proteínas circundantes na superfície de óxido hidroxilado produzida. Preferencialmente, a etapa de tratamento térmico é realizada entre 400 oC a 500oC por 1 minuto a 5 minutos, ao final obtendo alterações na escala nanométrica espessuras menores de 100nm.

[023] As vantagens primordiais da presente invenção é o controle do processo de conversão de um implante intraósseo totalmente hidrofóbico para um implante parcial ou totalmente hidrofílico por um processo simples e de baixo custo.

[024] A invenção demonstra um novo método de obter uma estrutura nanométrica, uniforme e homogênea em toda a superfície do implante.

[025] O material produzido, após o tratamento termoquímico, apresenta alta molhabilidade e é observada uma estrutura nanométrica em toda a superfície do implante, até mesmo em rugosidades e porosidades menores que 100 nanômetros.

[026] Com o controle nanométrico e químico da superfície de um implante osseointegrável, é possível obter um aumento na área específica superficial, com a otimização de sua propriedade mecânica, e maior interação celular (Figura 7).

[027] O processo de alteração superficial da nano morfologia nas superfícies dos implantes demonstrou uma maior atividade metabólica celular (122,9 %), quando comparada com a superfície dos implantes microrrugosos (100 %), após 72h de ensaio. A invenção resultou em um aumento na adesão e proliferação celular após os ensaios de 36h e 72h, respectivamente (Figura 7 e Figura 8). -1/2-

Claims (5)

1. PROCESSO DE ALTERAÇÃO NANO MORFOLÓGICA SUPERFICIAL EM IMPLANTES OSSEOINTEGRÁVEIS caracterizado por compreender as seguintes etapas: (a) tratamento térmico do implante entre 300oC e 700oC durante o tempo que pode variar entre 1 segundo e 60 minutos para volatilização de impurezas orgânicas; (b) Imergir o implante osseointegrável em uma solução de hidróxido de potássio pelo tempo entre 10 e 60 minutos sob vácuo que pode variar entre 1 e 0,01 milibar; (c) Após a retirada do vácuo, o implante é mantido em uma solução de hidróxido de potássio, pelo tempo entre 10 e 180 minutos, dependendo da espessura desejada para a camada produzida; (d) A solução de hidróxido de potássio deve ter uma concentração molar que pode variar entre 0,01M a 1M e a temperatura de tratamento pode variar entre 30° C e 150° C para produzir uma nano morfologia superficial característica (menor que 100nm), com estrutura similar a fibras, criada em cima da micro rugosidade pré-existente; (e) Posteriormente, o implante é lavado com água ultrapura, retirando qualquer íon remanescente; (f) etapa adicional de imergir o implante osseointegrável em uma solução de ácido clorídrico pelo tempo entre 10 e 180 minutos, onde a concentração molar da solução ácida pode variar entre 0,01 e 1M e a temperatura de tratamento pode variar entre 30° C e 150° C para manter uma nano morfologia superficial (menor que 100nm), com este ataque ácido com HCl retirando potássio da superfície; (g) etapa adicional de imergir o implante osseointegrável em uma solução de cloreto de cálcio pelo tempo entre 10 e 180 minutos, onde a concentração molar da solução ácida pode variar entre 0,01 e 1M e a temperatura de tratamento pode variar entre 30 C e 150 C; este ataque ácido com CaCl2 retira potássio da superfície e introduz o íon Ca2+ na superfície; (h) Tratar termicamente o implante entre 300oC e 700oC durante o tempo que pode variar entre 1 segundo e 60 minutos para conferir a manutenção da hidrofilicidade em longo prazo;

2. PROCESSO DE ALTERAÇÃO NANO MORFOLÓGICA SUPERFICIAL EM IMPLANTES OSSEOINTEGRÁVEIS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato -2/2- de que o implante seja osseointegrável e possua tratamento para criação de microrrugosidade ou não;

3. PROCESSO DE ALTERAÇÃO NANO MORFOLÓGICA SUPERFICIAL EM IMPLANTES OSSEOINTEGRÁVEIS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o implante seja utilizado para a área médica, odontológica, ortopédica e estética;

4. PROCESSO DE ALTERAÇÃO NANO MORFOLÓGICA SUPERFICIAL EM IMPLANTES OSSEOINTEGRÁVEIS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a espessura do ataque à superfície seja menor do que 100 nm;

5. PROCESSO DE ALTERAÇÃO NANO MORFOLÓGICA SUPERFICIAL EM IMPLANTES OSSEOINTEGRÁVEIS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a nano morfologia do ataque seja característica tipo fibras.