WO2019056076A1

WO2019056076A1 - Processo de alteração nano morfológica superficial em implantes osseointegráveis

Info

Publication number: WO2019056076A1
Application number: PCT/BR2017/000144
Authority: WO
Inventors: José Ricardo MUNIZ FERREIRA; Daniel Navarro DA ROCHA; Marcelo Henrique PRADO DA SILVA
Original assignee: Brunella Sily De Assis Bumachar; SERAFIM, José Alexandre
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2019-03-28
Also published as: BR102017020298A2

Abstract

Processo de alteração nano morfológica superficial em ímplantes de osseoíntegráveis trata-se de uma osseointegração otimizada em implantes íntraósseos, 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 era 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

"PROCESSO DE ALTERAÇÃO NANO MORFOLÓGICA SUPERFICIAL EM IMPLANTES OSSEOINTEGRÁVEIS"

[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 osseointegração otinnzada 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 fenómeno da osseointegração é a ligação direta, estrutural e funcional entre o osso in vivo e o material aloplástieo, sem a interposição de tecido conjuntivo (BRANEMARK eí al, 1977). O desempenho de um implante dental e ortopédico pode ser influenciado pela qualidade da interface implante-teeido 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 tomo 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 mierotopografia 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 ert&tizar que a estabilidade inicial não pode ser considerada como osseointegração, pois o fenómeno de osseointegração é o produto de uma complexa sequência de eventos que caracterizam a ácatrizaçao peri-implantar, na qual a osteocondução e a formação óssea são os mecanismos-cbave.

[005] Desde o final dos anos 90, a literatura tem demonstrado que a osseointegração é memorada 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 disTMsníveis comercialmente devido à mteração benéfica entre o implante e os tecidos biológicos.

[006] O desenvolvimento da interface implante / tecido ósseo depende de inúmeros íatores, incluindo a área específica superficial, carga superficial, micro e nano topografia e a química da superfície. Para otimizar a ricarrização óssea ao redor do implante, características como a mo-habilidade 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 microraétrica, mas também pela presença de nanoestruturas. É sugerido que as células aderem preferencialmente em h^tes/mterfaces 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, 2604).

[007] A adesão e o cnscrâmto celular são altamente influenciados pelas interacões das proteínas do sangue com a superfície do implante (LEE et al., 2010). A cordbnxiacSo molecular das proteínas é sensível i natureza da superfície. Por consequência, as características da superfície do implante determinam a disponibilidade de sequências peptídicas das proteínas, que é um fenómeno 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 Wdrofílicas, quando em contato com o sangue e os fluídos biológicos, promovem a adsorçSo 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 adsorçSo de proteínas, afetando a migração e a ligação das células mesenquimais à superfície (PXJLEO & NANO, 1999).

[008] Embora as narioestraturas 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 estaturas em nanoescala resultam em uma maior diferenciação celular e produção de fatores de crescimento celular local (GITTENS et al, 20U).

[009] No entanto, atualmente, percebe- se que o mercado de implantes dentais adotou como padrão bem-sucedido as superfícies obtidas por uma dada sequencia de tratamentos ácidos ou por anodização, que demonstram alta hidrofbbicidade como, por exemplo, nas patentes US5603338* US58632Ó1, US6652765, US201G0187172. Uma temporária dtatnuiçâo dessa hidrofobicidadc pode ser obtida pela limpeza superficial e correto armazenamento dos implantes em soluções ou atmosferas inertes.

[010] De acordo com a patente CN102912349B, a hidrofiucidade 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 100°C.

[011] Dadas as infonnações acima referentes ao que è de conhecimento público, bem como propor uma nova alternativa que possibilita o aumento na hidrofilícídade com a criação de uma nancestrotura, sem a mcKjificação da rmciwrugosidade 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 eletromierografia da superfície do implante osseointegrável em altas magnificações e a análise de sua nanotopografia em 3D por microscopia de força atómica (AFM).

FIGURA 02 Apresenta a eletromierografia da superfície do implante, em altas magmficaçôes, após o processo de alteração nano morfológica superficial e a verificação do aumento de sua área superficial especifica 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 eletxorrácroscópica e preparo da amostra por feixe de ions focalizado (FIB).

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 eK, respectivamente). FIGURA 05 Apresenta o comportamento hidrofóbico dos implantes osseomtegráveis 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 otimizacão das superfícies de implantes osseomtegráveis, melhorando a sua molhabilidade e a ligação na interface ímplante-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 termoquimico, onde o implante osseoihtegrável é imerso em um banho básico e/ou ácido a uma dada temperatura durante um perí odo 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 nwxirni/ar o processo de osseointegraçao.

[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 apresentai um ângulo de contato inferior a 5° no tempo t = Os (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 hidrofHicas. Este comportamento è 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: oxigénio, argonio, nitrogénio, 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 mdrofilica.

[017] Percebesse 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 (HO, H2SO4, CaCl₂, CaaSO* 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 «íncenttação utilizada no banho químico, podendo variar entre 30 °C e 150 °C. Aumenta-se a temperatura conforme dtiminui-se a concentração. O tempo é um fator dependente tanto da concentração quanto da temperatura, onde, aumentando-sç a concentração ou a temperatura dinnnuí-se o tempo, que pode variar entre 1 minuto e 180 minutos de tratamento.

[018] Durante ou após a imersão do implante, é realizado vácuo, podendo variar entre 10 a IO'⁵ 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. 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.

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

[020] O processo de alteração superficial da nano morfologia em implantes osseointógxáveis possui duas etapas de tratamento térmico do implante entre 300°C e 700°C 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 otixrrização do banho químico. Ao final, o segundo tratamento térmico é utilizado para a manutenção da hidroj&licidade em longo prazo, devido ao aumento da reauvidade com os aminoácidos e proteínas circundantes na superfície de óxido bidroxilado produzida.

[021] 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 hidrofílíco por um processo simples e de baixo custo.

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

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

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

[025] 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 mierorrugosos (100 %), após 72h de ensaio. A invenção resultou em um aumento na adesão e proliferação celular após os ensaios de 36h e

72η, respectivamente (Figura 7 e Figura 8).

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. PROCESSO DE ALTERAÇÃO NANO MORFOLÓGICA SUPERFICIAL EM IMPLANTES OSSEOINTEGRÁVEIS caracterizado pela alteração química e nano morfológica na superfície do implante na sua totalidade ou pelo menos em uma parcela de superfície; tratamento térmico do implante entre 300°C e 700°C durante o tempo que pode variar entre 1 segundo e 60 minutos para volatilização de impurezas orgânicas. 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; 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; a solução 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, estrutura similar a fibras, criada em cima da micro rugosidade pré-existente; posteriormente,

0 implante é lavado com água ultrapura, retirando qualquer íon remanescente; tratar termicamente o implante entre 300°C e 700°C durante o tempo que pode variar entre 1 segundo e 60 minutos para conferir a manutenção da hidrofílicidade em longo prazo.

2. PROCESSO DE ALTERAÇÃO NANO MORFOLÓGICA SUPERFICIAL EM IMPLANTES OSSEOINTEGRÁVEIS, de acordo com a reivmdfcação 1 , caracterizado pelo 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 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 por tratamento térmico do implante entre 300°C e 700°C durante o tempo que pode variar entre

1 segundo e 60 minutos para volatilização de impurezas orgânicas;

5. PROCESSO DE ALTERAÇÃO NANO MORFOLÓGICA SUPERFICIAL EM IMPLANTES OSSEOINTTEGRÁVEIS, de acordo com a rdvindicação 1, caracterizado pela concentração da solução básica ser baixa, entre 0,01M a 1M;

6. PROCESSO DE ALTERAÇÃO NANO MORFOLÓGICA SUPERFICIAL EM IMPLANTES OSSEOINTEGRÁVEIS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela da utilização de vácuo, entre l e 0,01 milibar, para preenchimento total dos sub-microporos com a solução básica;

7. PROCESSO DE ALTERAÇÃO NANO MORFOLÓGICA SUPERFICIAL EM IMPLANTES OSSEOINTEGRÁVEIS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela retirada de qualquer íon remanescente na superfície do implante através de água ultrapura;

8. PROCESSO DE ALTERAÇÃO NANO MORFOLÓGICA SUPERFICIAL EM IMPLANTES OSSEOINTEGRÁVEIS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo tratamento térmico do implante entre 300°C e 700°C durante o tempo que pode variar entre 1 segundo e 60 minutos para conferir a manutenção da hidrofilicidade em longo prazo;

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

10. PROCESSO DE ALTERAÇÃO NANO MORFOLÓGICA SUPERFICIAL EM IMPLANTES OSSEOINTEGRÁVEIS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela nano morfologia do ataque ser característica tipo fibras;

11. PROCESSO DE ALTERAÇÃO NANO MORFOLÓGICA SUPERFICIAL EM IMPLANTES OSSEOINTEGRÁVEIS, de acordo com a reivindicação l, caracterizado pelo fato da superfície do implante tratado apresentar alta bidrofilícidade;

12. PROCESSO DE ALTERAÇÃO NANO MORFOLÓGICA SUPERFICIAL EM IMPLANTES OSSEOINTEGRÁVEIS, de acordo com a reivindicação 1, çaractertzado por processo de alteração química e nano morfológica na superfície do implante na sua totalidade ou pelo menos em uma parcela de superfície; tratar tenrncamente o implante entre 300°C e 700°C durante o tempo que pode variar entre 1 segundo e 60 minutos para volatilizaçao de unparezas orgânicas. Imergir o implante osseoiategrável em uma solução de hidróxido de potássio pdo t^^ 1 e 0,01 rrulíbar, 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; a solução 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, criada em cima da micro rugosidade pré-existente; posteriormente, o implante é lavado com água ultrapura, retirando qualquer íon remanescente; Imergir o implante osseointegrável em uma solução de ácido clorídrico pelo tempo entre IQ e 180 minutos, onde a concentração molar da solução ácida pede variar entre 0,01 e IM e a temperatura de tratamento pode variar entre 30 C e 150 C dependendo da espessura desejada para atacar; tratar temucatnente o implante entre 300°C e 700°C durante o tempo que pode variar entre 1 segando e 60 minutos para conferir a manutenção da hídrofilicidade em longo prazo;

13. PROCESSO DE ALTERAÇÃO NANO MORFOLÓGICA SUPERFICIAL EM IMPLANTES OSSEOINTEGRÁVEIS, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo feto de que o ataque ácido com HCl retira potássio da superfície;

14. PROCESSO DE ALTERAÇÃO NANO MORFOLÓGICA SUPERFICIAL EM IMPLANTES OSSEOINTEGRÁVEIS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado para utilização na área médica compreende as seguintes etapas: Realizar o processo de alteração química e nano morfológica na superfície do implante na sua totalidade ou pelo menos em uma parcela de superfície; tratar termicamente o implante entre 300°C e 700°C durante o tempo que pode variar entre 1 segundo e 60 minutos para volatilização de impurezas orgânicas. Imergir o implante osseointegrávei em urna solução de hidróxido de potássio pelo tempo entre 10 e 60 minutos sob vácuo que pode variar entre 1 e 0,01 milibar; 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; a solução 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, estrutura similar a fibras, criada em cima da micro rugosidade pré-existente; posteriormente, o implante é lavado com água ultrapura, retirando qualquer íon remanescente; Imergir o implante osseointegrávei 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 dependendo da espessura desejada para atacar, tratar termicamente o implante entre 300°C e 700*C durante o tempo que pode variar entre 1 segundo e 60 minutos para conferir a manutenção da hidrofílicidade em longo prazo.

15. PROCESSO DE ALTERAÇÃO NANO MORFOLÓGICA SUPERFICIAL EM IMPLANTES OSSEOINTEGRÁVEIS, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o ataque ácido com CaCl₂ retira potássio da superfície e introduz o íon Ca** na superfície.