WO2021127758A1 - Superfície de implantes ou de arcabouços bioativa, osteoindutiva e osteocondutiva e método de produzir tal superfície - Google Patents

Superfície de implantes ou de arcabouços bioativa, osteoindutiva e osteocondutiva e método de produzir tal superfície Download PDF

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osteoconductive
topography
bioactive
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Diego Pedreira DE OLIVEIRA
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MAGALHÃES, Lucas de Almeida
BARONI, Luis Felipe Sverzut
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Definitions

  • Said method comprises the optional modification at the macroscopic level of roughness, with the objective of promoting the mechanical interlocking of the implant, followed by the modification of the surface to form microtopography; then, the microtopography is changed on a nanometric scale to obtain a nanotopography with characteristics that optimize cellular responses related to attraction, adhesion, spreading, proliferation and cell growth, in addition to phenotypic and genotypic inductions in cells of the osteoblast lineage, responsible for mineralization and bone neoformation. With this, the interface between implant and bone is improved, as well as the efficiency of the implant osseointegration process compared to other surface environments.
  • the surface of bioactive, osteoinductive and osteoconductive implants or frameworks and method of producing such surface is applied to the surfaces of elements of orthopedic and/or dental surgical implants, for humans and/or animals, which they are presented in different shapes and designs in a versatile way, and can be applied to all types of metal alloys, polymeric and ceramic materials, in order to constitute an adaptable surface in three-dimensional nanometric scales.
  • Osseointegration is related to the intimate contact between the implant/bone observed by the resolution of light microscopy. The term coined is important, however, the way to define the best osseointegration is not consensual and depends both on the properties of the host tissue and on the surface of the implant.
  • Osseointegration can be described as a functional connection between the bone and the surface material under loading conditions. When no progressive movement is verified, the implant has direct contact with the bone, minimizing any adverse biological response, local or systemic.
  • an implant with a polished surface therefore smooth, can easily lead to the appearance of relative micro-movements between implant and bone, triggering, then, inflammatory events detrimental to osseointegration.
  • the surfaces can be adapted in order to provide specific micro and nano environments to induce and lead tissue regeneration associated with osteoinductive and osteoconductive mechanisms.
  • surface modification aims to provide chemical and physical substrates to stimulate stem cells, mesenchymal cells, pre-osteoblasts, osteoblasts, that is, specified and non-specific cells, to induce mineralization stimuli fundamental for biological stability and for the process of osseointegration.
  • Osseointegration can be established through the stimulation or catalysis of events that induce osteoinduction and osteoconduction.
  • Osteoinduction aims to activate non-specific cells, that is, immature cells, mesenchymal stem cells or pre-osteoblasts in order to configure active cells in the osseointegration process, the osteoblasts.
  • Osteoconduction is related to the process of mineralization and conduction of bone tissue over the micro and nano topography formed previously on the surface of the implants. These events can contribute to and accelerate a well-established osseointegration, without movement between the implants and the bone.
  • the strategy to develop implantable devices exploring tissue regeneration as a method for osseointegration is based on producing osteoinductive and osteoconductive surface properties that modulate the implant osseointegration process, producing a high quality implant/bone interface.
  • the accepted classification for dimensional levels establish that macroscale comprises structural features above 10 miti, while microscale from 1 to 10 miti, submicro from 0.1 miti to 1.0 miti and nanoscales comprise structures below 100 nm.
  • the surface presented can be characterized as a multiscale surface, providing macroroughness associated with micro, submicro and nanotopographies, similar to the coral structure associated with the sponge effect, that is, with similar topography to microcorals and capacity of incorporation of ions and molecules to the surface, which is composed of micro and nanotopography that can function as a framework with nano dimensions, therefore, with a high effective area and with the capacity to absorb, adsorb and incorporate bio-ions and molecules, therefore, favor cell adhesion mediated by bio-molecules.
  • the titanium oxide layer is modified to obtain a nanostructured surface with bio-ion allows to regulate from adhesion to gene expression of human osteoblasts.
  • Micro and nanostructured topography can be applied to orthopedic and dental implants, previously rough or smooth. If the previous layer requires a rougher condition produced either through additive processes, such as titanium plasma spraying, or through subtractive processes, such as particle or sphere blasting, the treatments can be perfectly adjustable for any design, geometry and Previous surface shape in macro scale.
  • Patent document PI 0510301 -0 "BONE INDUCTION METAL IMPLANTS FOR A LIVING BODY AND THE SAME PRODUCTION PROCESS"
  • the invention describes implants of metallic material on which a layer of bioactive material is applied , more specifically, hydroxyapatite, to give the implants stimulating properties for bone growth.
  • Our invention produces osteoconductive and osteoinductive properties by modifying the implant surface, without the need to add material to the surface;
  • Patent document US 2017/0360532 "TITANIUM NANO-SCALE ETCHING ON AN IMPLANT SURFACE", where this invention describes a surface treatment for dental implants to obtain nanoscale pores on the implant surface only by acid etching;
  • Patent document US20120219599 "OSTEOGENIC PROMOTING IMPLANTS AND METHODS OF INDUCING BONE GROWTH", where the osteoconductive properties derive from the nature of the framework material, and the osteoinductive properties of the molecule impregnated in the framework material. Our invention obtains these properties by modifying the implant surface by physicochemical methods;
  • Patent document US20130189323. “ANTIBACTERIAL AND OSTEOINDUCTIVE IMPLANT COATING, METHOD OF PRODUCING SUCH COATING, AND IMPLANT COATED WITH SAME”, where antibacterial and osteoconductive properties are conferred to the implant through the addition of a copper-doped calcium phosphate coating. Our method performs surface treatment and obtains these characteristics by modifying the surface topology without adding a coating;
  • Patent document US20140363392 "OSTEOINDUCTIVE COATINGS FOR DENTAL IMPLANTS", where the osteoconductive properties are given to the implant through the addition of a polymeric coating. Our method performs surface treatment and obtains these characteristics by modifying the surface topology without adding a coating;
  • Our invention imparts such properties to the implant by modifying the topology and surface chemistry, without the need to use bone graft material and/or protein impregnation;
  • Patent document US20170319750 "COMPOSITE MATRICES DESIGNED FOR ENHANCED BONE REPAIR", which describes a biocompatible implant composed of polymeric matrix and ceramic material, with subsequent addition of coating. Our method applies to metallic materials, it has no addition of ceramic material or coating;
  • Patent document US20130178946 "COMPOSITE DEVICE THAT COMBINES POROUS METAL AND BONE STIMULI", where the implant is composed of porous metallic material on which a layer of resorbable material is applied that gives the implant osteoconductive and osteoinductive properties.
  • Our invention produces osteoconductive and osteoinductive properties by modifying the implant surface, without the need for the addition of resorbable material or osteoinductive molecule;
  • Our invention is intended for metallic materials;
  • Patent document WO201328735 "MEDICAL DEVICE FOR BONE IMPLANT AND METHOD FOR PRODUCING SUCH DEVICE", where the invention describes an implant with osteoconductive and osteoinductive properties, a metallic implant covered by a substance capable of generating osteoinductive and osteoconductive properties.
  • Our invention is intended for metallic implants and produces osteoconductive and osteoinductive properties by modifying the implant surface, without the need for the addition of material.
  • the surface invention proposed here comprises microporosity and nanostructured topographic sponge effect to incorporate biological agents.
  • Our scientific and technological surface design concept aims to avoid the vulnerability of mechanical failure induced by promoting surface stress concentration. Susceptibility to fatigue failure is prevented by chemical surface treatments associated with TPS coatings for orthopedic implants and on etched surfaces for dental implants.
  • the osteoinduction mechanism on the surface of implants, stimulates differentiation processes of undifferentiated cells, mesenchymal stem cells, for example, in osteoblastic cell lineage suitable for the bone mineralization process. How to properly match and adjust the surface at macro, micro and nano levels, mentioned here, is what the described mechanisms provide.
  • Our invention is intended for metallic implants and produces osteoconductive and osteoinductive properties by modifying the implant surface, without the need for the addition of material;
  • Patent document WO201703461 "OSTEOCONDUCTIVE AND OSTEOINDUCTIVE IMPLANT FOR AUGMENTATION, STABILIZA TION, OR DEFECT RECONSTRUCTION", where the invention describes an implant with osteoconductive and osteoinductive properties composed of a polymer matrix with impregnation of a bone growth stimulating agent .
  • Figure 1 shows the flowchart of the processes involved in modifying the surface of implants or bioactive, osteoinductive and osteoconductive frameworks and method of producing such a surface, object of this patent;
  • Figure 2 provides a photograph of the surface under analysis with SEM at low and high magnifications, nano characteristics from 10 to 300 nm can be observed, of surface modification with acid treatment in a medium containing phosphate combined with alkaline treatment for alloys of titanium. Furthermore, an increased surface area and hydrophilic behavior culminated in increased surface energy;
  • Figure 3 shows an example of another titanium alloy subjected to surface modification processing to transmit micro to nanotopographic evidence, in two magnifications
  • Figure 4 shows evidence of trimodal surface of the titanium alloy, processed by a plastic deformation sequence, with macro, micro and nanostructured pores. [041] At least three levels of modification can be observed;
  • Figure 5 demonstrates the attractiveness of the titanium surface before and after being immersed in the treatment for a few hours, as in this example, after four hours in cell culture medium solution;
  • Figure 6 shows the attraction of bio-ions in a few hours of immersion in the treatment. [044] Highlighting the gene expression of the SP7 transcription factor on smooth surface, macro and micro with nanotopography (nano, in the graph);
  • Figure 7 shows the in vitro mineralization, osteoinductive effect, on the surface of implants or bioactive frameworks, osteoinductive and osteoconductive, object of this patent;
  • Figure 8 shows macro and nano surfaces treated for the osseointegration process, on the surface of implants or bioactive frameworks, osteoinductive and osteoconductive, object of this patent;
  • Figure 9 shows the surface that stimulates the spreading and communication between cells, as well as the formation of structures induced by biogenesis.
  • the surface of implants or bioactive, osteoinductive and osteoconductive frameworks is a three-dimensional engineering surface performed on a body, comprising a physically and chemically controlled and organized topography, containing a macroscopic topography, with structures larger than 10 miti, on which a microscopic and submicroscopic topography is superimposed, with structures between 10 pm to 100 nm, on which A nanometric topography is superimposed, with structures between 1 and 100 nm, also comprising nano-features and fractal dimension structures, similar to the structure of a coral from the bottom of the sea (biomimicry), to which ions, particles or molecules can be adhered.
  • bioactive implants or scaffolds, osteoinductive and osteoconductive object of this patent, as defined above, has bioactive properties, in which the bioactive properties are related, but not limited to bone tissue.
  • the surface of bioactive, osteoinductive and osteoconductive implants or frameworks is a surface where the body is made of a metal or metallic alloy where the macroscopic topography is based on the surface area, ranging from 1000% to 50% effective area increase after surface material forming, deposition or subtraction procedures, with a roughness R z and S ⁇ controlled between 0 and 1000 micrometers (pm).
  • the surface has a microscopic topography that includes investigation of features around 0.1 to 100 micrometers, including submicrometer topography.
  • the controlled surface parameters can be pointed with roughness with arithmetic mean deviation (linear or spatial) around 0 to 100 pm ; Rz and Sz parameters with shape from 0.1 to 100 pm; Ssk from 1.0 to -1.0, where zero bias is preferable; and Sku from 0 to 10.0, preferably tending to 3.0.
  • the surface has a nanoscopic topography built on the microscopic topography, presents structures with nanometric dimensions in the form of wires, fibers, pores of about 10 nm thick with an aspect ratio between 10 and 1000.
  • a surface has physical forms that can be described with fractal dimension parameter, with porous formation in different scales of dimension increase.
  • the surface has different levels of dimensions that provide a substrate suitable for the intimate contact of cells. The porous formation of these structures can be from 50 pm to 1.0 pm.
  • the effective surface area presents a high increase in relation to the initial untreated surface, which gives it a thermodynamically metastable surface energy when compared to the untreated surface, which causes the property of incorporating ions that are part , but are not limited to the group of biological ions (K + , Ca 2+ , Sr 2+ , Mg 2+ , PO4 2 ), and to adhere to particles that are part of, but not limited to, the calcium phosphate group with incorporations of strontium, in addition to adhering molecules that are part of, but not limited to, the group of cell-adhesive biomolecules, such as osteopontin, actins, integrins and others.
  • the group of biological ions K + , Ca 2+ , Sr 2+ , Mg 2+ , PO4 2
  • the calcium phosphate group with incorporations of strontium in addition to adhering molecules that are part of, but not limited to, the group of cell-adhesive biomolecules, such as osteopontin
  • the surface of implants or bioactive, osteoinductive and osteoconductive frameworks has the advantages of being a surface with properties of attraction and adhesion of bio-ions and biomolecules, in particular, comprising, but not limited to, K + , Ca 2+ , Sr 2+ , Mg 2+ , PO4 2 ' ions which are capable of improving metabolic activities and also providing substrate to molecules of the group, including but not limited to osteopontin, actins, integrins and bioactive molecules for specific effects; that it has enhanced properties of cell attraction and adhesion, where cells are part of, but not limited to, the group consisting of human mesenchymal stem cells, osteoblastic cells, platelets and monocytes; which dynamically controls the expression of the cellular gene, where the genes are part, but not limited to, the group of genes that control the osteoinduction process, the osteoconduction process and the osteogenic process.
  • the sponge-effect surface allows the incorporation of substances that also have an anti-
  • the implant that applies such a surface has bioactive, osteoinductive and osteoconductive properties.
  • the method of obtaining the surface of implants or bioactive, osteoinductive and osteoconductive frameworks object of this patent, consists of treating the implant surface by any type of macrotopographic processing to obtain the macrostructured surface. Then, the surface is clean and prepared for topographic micromodifications caused by controlled chemical and/or electrochemical treatment. Then, a new chemical and/or electrochemical treatment is applied to produce nano-features in fractal dimension, providing structure with sponge effect in micro and nanometric scale enriched with bio-ions, adjustable to complex geometries and designs.
  • micro and nanotopography which comprises characteristics that promote sensory contact with cells in the filopodia dimension, providing interaction in the nanoenvironment with adhered cells and fixed to the surface.
  • micro and nanosponge The capacity and property of micro and nanosponge is due to the attractiveness with biochemical ions and biomolecules, comprising ions capable of improving metabolic activities, in addition to providing the substrate with the ability to incorporate and dope P, Na, Sr, K, Mg and Ca, then the immobilization and anchorage of molecules such as osteopontin, actins, integrins. Then, the surface undergoes immersion in deionized water and controlled drying, obtaining a surface with metastable surface energy and reactive with the physiological environment, with increased cell adhesion and bioactive, osteoconductive, and osteoinductive effects.
  • Macroscale modification can be achieved using physical and metallurgical methods. Additive and subtractive processing is used in the production of implant surfaces to provide mechanical interlocking, preventing micromovements between the implant and the bone. Extractive processes such as sand blasting, cold blasting (in some cases) and additive procedures such as metal plasma spray (TPS) can provide macro scale changes.
  • Extractive processes such as sand blasting, cold blasting (in some cases) and additive procedures such as metal plasma spray (TPS) can provide macro scale changes.
  • TPS metal plasma spray
  • Micromodifications are carried out using chemical and/electrochemical treatments to increase the effective surface area and provide the doping of compounds with phosphorus in the reconstitution of the oxide, thus stimulating cell adhesion. Surface phosphorus enrichment is important to improve surface chemical condition and provide cell adhesion under favorable energy conditions. Cells adhere preferentially to the surface, having the surface energy different from equilibrium, being hydrophilic, metastable and with the addition of phosphorus.
  • nanotopography provides a suitable substrate to interact with the cell membrane, which may favor cell proliferation and communication between cells, a fundamental role in providing connections for the process of vascularization and irrigation of adjacent biological systems. Osteocytes differentiated from osteoblastic cells are responsible for converting into vascularized tissues. [064] In this way, tertiary stability, in the long term, can be favored and established.
  • the surface of the final product, after immersion in solutions containing bio-ions, can be adequately enriched.
  • the ionic attractiveness of this surface can be measured after immersion in body solutions or culture media. High enrichment with elements such as P, Ca, Na, Mg, Sr and K was found, as well as high cell adhesion and scattering.
  • Negative surface energy does not provide a physicochemical barrier to cell adhesion, cell proliferation and spread events.
  • the described invention can achieve the interfacial free energy of the adhesion surface more negative than 35 mJ.irr 2 .
  • the macro roughness, surface energy, micro and nanotopography obtained can change the shape of the nucleus of cells, reason to stimulate gene expression of certain proteins. Bone formation depends on a cascade of events in the biological field. For this reason, these multiscale surfaces developed play a fundamental role in cell-substrate interaction. A high-performance interface can be achieved and osseointegration improved.
  • Macro scale roughness and ripple can be applied used to improve stability mechanical, then coated by chemical and/or electrochemical treatments to provide the substrates present in the following examples.
  • FIG. 4 shows the titanium alloy, processed by a plastic deformation sequence. After preparation and metallurgical processing, this material was submitted to the processing sequence, described here, for surface modification. Using treatments with acid, topographic changes can be caused, due to the formation susceptible to the process of extraction by acid. This morphology can still be improved with the alkaline treatment already described in this document. These combinations provide a structured bimodal surface capable of improving the area of contact between the implant and the bone, from macro to nanoscale. Subtracting with acid some regions composed of soluble metallic phases, the surface was adapted to improve all levels of connection between the implant/bone.
  • these surfaces can provide a sponge containing the structure that mimics a micro and nanometric coral reef, which functions as a substrate and reservoir for ions that cooperate in biological activities related to the metabolic reactions of cells.
  • This technology is inspired by the composite bone itself and its intricately organized structure, containing porous structures that also function as a reservoir for biochemical reactions.
  • the surfaces described at multiscale levels from macro to nano were modulated to provide the appropriate substrate for bone integration into the implant.
  • the surfaces amplify the processes linked to bone mineralization in contact with pluripotent cells, seen in Figures 6 and 7, higher concentrations of mineralization on topographically altered micro and nano surfaces, compared to the material in smooth condition.
  • SP7 encodes genes specific to transcription processes during the differentiation process. This behavior, associated with the mineralization in Figure 1 , can demonstrate and evidence this important mechanism found in this surface developed at multiscale. Furthermore, osteoinduction refers to the efficiency with which the substrate induces the osteoblast differentiation process, as well as the bone formation process. The expression of this gene is linked to both processes.
  • this innovation is based entirely on the combination of procedures capable of improving biological responses in synthetic material applied to the material/tissue interface of the body.
  • this innovation is based entirely on the combination of procedures that produce a complex and organized structure at macro, micro and nanoscale levels, capable of providing cells with stimuli that allow to induce undifferentiated cells into osteoblastic cells and can synergistically favor processes to improve biological responses in synthetic material applied to the body's material/tissue interface.

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Abstract

Trata o presente descritivo de um novo método para construir uma superfície tridimensional em multi-escala, da superfície assim obtida e suas aplicações, o qual se trata de uma combinação de processos de modificações de superfície para obter configurações físicas e químicas controladas e aperfeiçoadas para promover a integração de implantes ortopédicos e/ou odontológicos, a tecidos humanos e/ou de animais, em formas e geometrias distintas, de maneira versátil, podendo ser aplicado a todos os tipos de metais, ligas metálicas e/ou compostos cerâmicos. Dito método compreende a modificação em nível macroscópico da rugosidade, com o objetivo de promover o intertravamento mecânico do implante, seguido da modificação da superfície para formação de microtopografia, em seguida, a microtopografia é alterada para a obtenção de uma nanotopografia com características que otimizam respostas metabólicas celulares relacionadas à atração, adesão, espraiamento, proliferação e crescimento celular, além de induções fenotípicas e genotípicas em células indiferenciadas e em linhagem de osteoblastos, responsáveis pela mineralização e a neo-formação de ossos. Com isso, a interface entre implante e osso é aprimorada, aumentando assim a eficiência do processo de osseointegração do implante em comparação a outros ambientes de superfícies.

Description

SUPERFÍCIE DE IMPLANTES OU DE ARCABOUÇOS BIOATIVA, OSTEOINDUTIVA E OSTEOCONDUTIVA E MÉTODO DE PRODUZIR TAL SUPERFÍCIE
[001] Trata o presente descritivo de um novo método para construir uma superfície tridimensional em multi-escala, da superfície assim obtida e suas aplicações, o qual se trata de uma combinação de processos de modificações de superfície para obter configurações físicas e químicas controladas e otimizadas para promover a integração de implantes ortopédicos e/ou odontológicos, a tecidos humanos e/ou animais, em formas e geometrias distintas, de maneira versátil, podendo ser aplicado a todos os tipos de metais, ligas metálicas e/ou compostos cerâmicos e/ou polímeros. Dito método compreende a modificação opcional em nível macroscópico da rugosidade, com o objetivo de promover o intertravamento mecânico do implante, seguido da modificação da superfície para formação de microtopografia; em seguida, a microtopografia é alterada em escala nanométrica para a obtenção de uma nanotopografia com características que otimizam respostas celulares relacionadas à atração, adesão, espraiamento, proliferação e crescimento celular, além de induções fenotípicas e genotípicas em células da linhagem dos osteoblastos, responsáveis pela mineralização e neo-formação de ossos. Com isso, a interface entre implante e osso é aprimorada, assim como a eficiência do processo de osseointegração do implante comparadas a outros ambientes de superfícies.
CAMPO DE APLICAÇÃO
[002] A superfície de implantes ou arcabouços bioativa, osteoindutiva e osteocondutiva e método de produzir tal superfície, objeto da presente patente, é aplicado às superfícies de elementos de implantes cirúrgicos ósseos ortopédicos e/ou odontológicos, para humanos e/ou animais, que são apresentados em formas e designs distintos de maneira versátil, podendo ser aplicado a todos os tipos de ligas metálicas, materiais poliméricos e cerâmicos, de forma a constituir uma superfície adaptável em escalas tridimensionais nanométricas.
OBJETIVO DA INVENÇÃO
[003] A superfície de implantes ou arcabouços bioativa, osteoindutiva e osteocondutiva e método de produzir tal superfície, objeto da presente patente, têm por objetivo oferecer ao mercado de implantes cirúrgicos ósseos ortopédicos e/ou odontológicos, ou de outros tecidos, um método de fabricação de combinação de processos e uma superfície aplicada, ou modificações de superfície, aos elementos de implantes para obter configurações otimizadas de substratos com propósito de aprimorar respostas metabólicas celulares relacionadas à adesão, crescimento e expressão gênica, então promover a conexão óssea do implante.
PROBLEMA A SER RESOLVIDO
[004] A humanidade segue uma tendência de envelhecimento e crescimento, com isso, o número de cirurgias odontológicas e ortopédicas vem crescendo consistentemente ano após ano. Comumente, as pessoas substituem seus dentes e juntas ósseas usando implantes e soluções protéticas.
[005] Seguindo esta tendência, implantes com sucesso em cargas imediatas ou tardias requerem propriedades que possam induzir a osseointegração bem desenvolvida. A osseointegração está relacionada ao contato íntimo entre o implante/osso observado pela resolução da microscopia com luz óptica. O termo cunhado é importante, entretanto, a maneira de definir a melhor osseointegração não é consensual e depende tanto das propriedades do tecido hospedeiro quanto da superfície do implante.
[006] A osseointegração pode ser descrita como uma conexão funcional entre o osso e o material da superfície sob condições de solicitação por carga. Quando nenhum movimento progressivo é verificado, o implante tem contato direto com o osso, minimizando eventual resposta biológica adversa, local ou sistémica.
[007] Por exemplo, um implante com superfície polida, portanto, lisa, pode facilmente levar ao surgimento de micro-movimentos relativos entre implante e osso, desencadeando, em seguida, eventos inflamatórios prejudiciais à osseointegração.
[008] Além disso, as superfícies podem ser adaptadas no sentido de proporcionar micro e nano ambientes específicos para induzir e conduzir a regeneração tecidual associada a mecanismos osteoindutores e osteocondutores. Essencialmente, a modificação da superfície visa fornecer substratos químicos e físicos para estimular células-tronco, células mesenquimais, pré-osteoblastos, osteoblastos, ou seja, células especificadas e não específicas, a induzir estímulos de mineralização fundamentais para a estabilidade biológica e para o processo de osseointegração.
[009] A osseointegração pode ser estabelecida por meio do estímulo ou da catálise de eventos que induzem a osteoindução e osteocondução. A osteoindução tem o objetivo de ativar células não específicas, ou seja, células imaturas, células-tronco mesenquimais ou pré-osteoblastos no sentido de configurarem células ativas no processo de osseointegração, os osteoblastos. A osteocondução está relacionada ao processo de mineralização e condução do tecido ósseo sobre a micro e nano topografia formada previamente na superfície dos implantes. Esses eventos podem contribuir e acelerar uma osseointegração bem estabelecida, sem movimentos entre os implantes e o osso.
[010] A estratégia para desenvolver dispositivos implantáveis explorando a regeneração de tecidos como método para osseointegração, baseia-se em produzir propriedades de superfície osteoindutoras e osteocondutoras que modulam o processo de osseointegração do implante, produzindo uma interface implante/osso de elevada qualidade.
[011] A indústria desenvolveu tecnologias de superfície para melhorar as conexões de implantes ósseos (osseointegração). A produção de rugosidade e geometrias em escala macro demonstrou-se como uma estratégia adequada para favorecer a estabilidade mecânica dos implantes. Portanto, o intertravamento mecânico é de fundamental importância para evitar micro-movimentos relativos entre implante/osso e, portanto, evitar eventuais estímulos inflamatórios derivados deste processo. Em um estágio subsequente, a estabilidade biológica é necessária para modular e favorecer a formação da interface e contribuir para a longa vida útil desses implantes. Com o objetivo de aperfeiçoar a resposta e a interface dos implantes aos ossos e tecidos, a modificação da superfície em escala micro e nano é um elemento chave.
[012] Com isso, o efeito sinérgico entre o intertravamento mecânico ou a estabilidade primária e a constituição da interface conduzem a um fenômeno de osseointegração bem estabelecido. Com base neste conhecimento científico, as superfícies desenvolvidas com os processos aqui apresentados constituem substrato fundamental para fornecer ambiente que conduz às respostas biológicas. Controlando esta sequência de eventos, a estabilidade biológica dos implantes pode ser otimizada e a interface bem desenvolvida. [013] Observando as heterogeneidades de requisitos para soluções biomédicas e principalmente as tendências de desenvolvimento de processos de fabricação, os processos de modificação e tratamento de superfície versáteis, ajustáveis e personalizáveis para projetos e geometrias complexas, apresentam importância tecnológica para as próximas gerações de desenvolvimentos de implantes, utilizando-se de processos de manufatura aditiva nos diversos setores industriais. Esta proposição foi desenvolvida visando atender a estes requisitos.
[014] Atualmente, a classificação aceita para níveis dimensionais estabelecem que macroescala compreenda características estruturais acima de 10 miti, enquanto microescala de 1 a 10 miti, submicro de 0,1 miti a 1 ,0 miti e nanoescalas compreendam estruturas abaixo de 100 nm. [015] Com base nesta classificação, a superfície apresentada pode ser caracterizada como uma superfície multiescala, proporcionando macrorrugosidade associada a micro, submicro e nanotopografias, semelhantes à estrutura de corais associada ao efeito de esponja, ou seja, com topografia semelhante a microcorais e capacidade de incorporação de íons e moléculas à superfície, a qual é composta de micro e nanotopografia que pode funcionar como um arcabouço com nano dimensões, portanto, com elevada área efetiva e com capacidade para absorver, adsorver e incorporar bio-íons e moléculas, portanto, favorecer a adesão de células mediadas por bio-moléculas.
[016] Enriquecida com compostos à base de fósforo e outros elementos existente no tecido ósseo, a camada de óxido de titânio é modificada para obtenção de superfície nanoestruturada com bio-íonse permite regular desde a adesão até a expressão gênica de osteoblastos humanos. A topografia micro e nanoestruturadas pode ser aplicada para implantes ortopédicos e dentários, previamente rugosos ou lisos. Caso a camada anterior requeira condição mais áspera produzida tanto por meio de processos aditivos, como pulverização a plasma de titânio, quanto por meio de processos subtrativos, como o jateamento de partículas ou esferas, os tratamentos podem ser perfeitamente ajustáveis para qualquer projeto, geometria e forma de superfície prévia em escala macro.
[017] Existe relação entre o processo de limpeza da superfície de implantes usando diferentes meios ácidos e a formação de rugosidade. A existência de cloretos, fluoretos e sulfatos na superfície do implante é, geralmente, relacionada ao acondicionamento ácido superficial e não favorece os processos biológicos relacionados à osseointegração. ESTADO DA TÉCNICA
[018] Existem alguns documentos de patente que descrevem implantes e tratamentos de superfícies de implantes, assim como métodos cirúrgicos para adesão de implantes, porém, nenhum desses documentos antecipa o método e a superfície aqui propostos, onde pode ser aplicado a qualquer implante metálico, não somente dentários, mas também ortopédico e cardiológico, prevê ainda modificação de macroescala, não somente por métodos subtrativos (jateamento, ataque superfície), mas também por métodos aditivos (TPS, PVD) e produz superfície controlada em todas as escalas (macro, micro e nano), com características em geometria fractal e propriedades de esponja. A topografia controlada em micro e nanoescalas é capaz de aumentar a atração e adesão celular, controlar a dinâmica de expressão gênica celular, e proporcionar propriedades bioativas, osteoindutivas, osteocondutivas e antimicrobianas às superfícies. Dentre esses documentos, podem-se destacar os seguintes: [019] O documento de patente PI 0510301 -0, “IMPLANTES DE METAL DE INDUÇÃO DE OSSO PARA UM CORPO VIVO E PROCESSO DE PRODUÇÃO DOS MESMOS”, onde a invenção descreve implantes de material metálico sobre os quais é aplicada uma camada de material bioativo, mais especificamente, hidroxiapatita, para conferir aos implantes propriedades estimulantes para o crescimento ósseo. Nosso invento produz propriedades osteocondutivas e osteoindutivas pela modificação da superfície do implante, sem necessidade da adição de material a superfície;
[020] O documento de patente US 2017/0360532, “TITANIUM NANO-SCALE ETCHING ON AN IMPLANT SURFACE”, onde esta invenção descreve um tratamento de superfície para implantes dentários para obtenção de poros em nanoescala na superfície do implante somente por ataque ácido;
[021] O documento de patente US20160220740, “BIOLOGICALLY ACTIVE IMPLANTS”, onde se descreve a aplicação de revestimento de material polimérico sobre material metálico com posterior impregnação de agentes para anti-infecção. Nosso método baseia- se em modificação da superfície e não adição de material por revestimento;
[022] O documento de patente US20120219599. “OSTEOGENIC PROMOTING IMPLANTS AND METHODS OF INDUCING BONE GROWTH”, onde as propriedades osteocondutivas decorrem da natureza do material do arcabouço, e as propriedades osteoindutivas da molécula impregnada no material do arcabouço. Nossa invenção obtém essas propriedades pela modificação da superfície do implante por métodos físico- químicos;
[023] O documento de patente US20130189323. “ANTIBACTERIAL AND OSTEOINDUCTIVE IMPLANT COATING, METHOD OF PRODUCING SUCH COATING, AND IMPLANT COATED WITH SAME”, onde as propriedades antibacterianas e osteocondutivas são conferidas ao implante através da adição de um revestimento de fosfato de cálcio dopado com cobre. Nosso método realiza o tratamento da superfície e obtém essas características pela modificação da topologia da superfície sem adição de revestimento;
[024] O documento de patente US20140363392, “OSTEOINDUCTIVE COATINGS FOR DENTAL IMPLANTS”, onde as propriedades osteocondutivas são conferidas ao implante através da adição de um revestimento polimérico. Nosso método realiza o tratamento da superfície e obtém essas características pela modificação da topologia da superfície sem adição de revestimento; [025] O documento de patente US2017/0354504, “PROTEIN DELIVERY WITH POROUS METALLIC STRUCTURE”, que descreve um implante de matriz porosa que é carregado com material de enxerto ósseo com propriedades osteocondutivas impregnado de uma proteína com propriedades osteoindutivas. Nosso invento confere tais propriedades ao implante pela modificação da topologia e química de superfície, sem a necessidade de uso de material de enxerto ósseo e/ou impregnação de proteína;
[026] O documento de patente US20170319750, “COMPOSITE MATRICES DESIGNED FOR ENHANCED BONE REPAIR”, que descreve um implante biocompatível composto por matriz polimérica e material cerâmico, com posterior adição de revestimento. Nosso método aplica-se a materiais metálicos, não possui adição de material cerâmico ou revestimento;
[027] O documento de patente US20150072017, “CARRIER MATERIALS FOR PROTEIN DELIVERY”, onde as propriedades osteocondutivas são adicionadas ao implante por um revestimento de componente mineral que serve de base para o carregamento de uma proteína com propriedades osteoindutivas. Nosso invento produz propriedades osteocondutivas e osteoindutivas pela modificação da superfície do implante, sem necessidade da adição de revestimento ou molécula osteoindutiva;
[028] O documento de patente US20130178946, “COMPOSITE DEVICE THAT COMBINES POROUS METAL AND BONE STIMULI”, onde o implante é composto de material metálico poroso sobre o qual é aplicada uma camada de material reabsorvível que confere ao implante propriedades osteocondutivas e osteoindutivas. Nosso invento produz propriedades osteocondutivas e osteoindutivas pela modificação da superfície do implante, sem necessidade da adição de material reabsorvível ou molécula osteoindutiva; [029] O documento de patente WO201727426, “IMPROVED CERAMIC AND/OR GLASS MATERIALS AND RELATED METHOD”, que descreve um tratamento químico sobre material cerâmico para gerar propriedades osteocondutivas. Nosso invento se destina a materiais metálicos;
[030] O documento de patente WO201328735, “MEDICAL DEVICE FOR BONE IMPLANT AND METHOD FOR PRODUCING SUCH DEVICE”, onde a invenção descreve um implante com propriedades osteocondutivas e osteoindutivas, um implante metálico recoberto por uma substância capaz de gerar propriedades osteoindutivas e osteocondutivas. Nosso invento se destina a implantes metálicos e produz propriedades osteocondutivas e osteoindutivas pela modificação da superfície do implante, sem necessidade da adição de material. [031] Distinto do relatado no documento WO201328735, em que a tecnologia aborda a fabricação de furos na superfície a ser carregada com agentes terapêuticos. A invenção de superfície aqui proposta compreende microporosidade e efeito de esponja topográfica nanoestruturada para incorporar agentes biológicos. Nosso conceito científico e tecnológico de design de superfície visa evitar a vulnerabilidade de falha mecânica induzida pela promoção da concentração de tensão na superfície. A suscetibilidade à falhas por fadiga é evitada pelos tratamentos químicos de superfície associados aos revestimentos TPS para implantes ortopédicos e em superfícies decapadas para implantes dentários. O mecanismo de osteoindução, na superfície de implantes estimula processos de diferenciação de células indiferenciadas, estaminais mesenquimais, por exemplo, em linhagem de células osteoblásticas aptas ao processo de mineralização óssea. Como combinar e ajustar adequadamente a superfície em níveis macro, micro e nano, aqui mencionadas, é o que proporcionam os mecanismos descritos.
[032] O documento de patente WO201775613, “MATRIX FOR ENHANCED DELIVERYOF OSTEOCONDUCTIVE MOLECULES IN BONE REPAIR”, onde a invenção descreve um implante com propriedades osteocondutivas e osteoindutivas, composto por uma matriz polimérica com adição de material cerâmico atuando como agente estimulante de crescimento ósseo. Nosso invento se destina a implantes metálicos e produz propriedades osteocondutivas e osteoindutivas pela modificação da superfície do implante, sem necessidade da adição de material;
[033] O documento de patente WO201703461 , “OSTEOCONDUCTIVE AND OSTEOINDUCTIVE IMPLANT FOR AUGMENTATION, STABILIZA TION, OR DEFECT RECONSTRUCTION”, onde a invenção descreve um implante com propriedades osteocondutivas e osteoindutivas composto por uma matriz polimérica com impregnação de um agente estimulante de crescimento ósseo. Nosso invento se destina a implantes metálicos e produz propriedades osteocondutivas e osteoindutivas pela modificação da superfície do implante, sem necessidade da adição de material; e [034] O documento de patente CN107376018, “STRONTIUM-CONTAINING BIOLOGICAL MATERIAL AND ITS PREPARATION METHOD AND THE ONE APPLICATION", onde a invenção descreve um material contendo estrôncio, que pode ser utilizado para conferir propriedades osteocondutivas e osteoindutivas ao implante.
[035] Nosso invento produz propriedades osteocondutivas e osteoindutivas pela modificação da superfície do implante, sem necessidade da adição de material. DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[036] A seguir, faz-se referência às figuras que acompanham este relatório descritivo, para melhor entendimento e ilustração do mesmo, onde se vê:
[037] A figura 1 mostra o fluxograma dos processos envolvidos na modificação da superfície de implantes ou arcabouços bioativa, osteoindutiva e osteocondutiva e método de produzir tal superfície, objeto da presente patente;
[038] A figura 2 fornece uma fotografia da superfície em análise com MEV em baixas e altas ampliações, podendo ser observadas nano características de 10 a 300 nm, da modificação de superfície com tratamento ácido em meio contendo fosfato combinado com o tratamento alcalino para ligas de titânio. Além disso, uma área de superfície aumentada e um comportamento hidrofílico culminaram no aumento da energia de superfície;
[039] A figura 3 mostra um exemplo de outra liga de titânio submetida ao processamento de modificações de superfície para transmitir as evidências micro a nanotopográficas, em dois aumentos;
[040] A figura 4 mostra evidências de superfície trimodal da liga de titânio, processada por uma sequência de deformação plástica, com poros macro, micro e nanoestruturados. [041] Três níveis de modificação ao menos podem ser observados;
[042] A figura 5 demonstra a atratividade da superfície de titânio antes e depois de ser imersa no tratamento durante algumas horas, como neste exemplo, após quatro horas em solução de meio de cultura de células;
[043] A figura 6 mostra a atração de bio-íons em poucas horas de imersão no tratamento. [044] Destacando a expressão gênica do fator de transcrição SP7 em superfície lisa, macro e micro com nanotopografia (nano, no gráfico);
[045] A figura 7 mostra a mineralização in vitro, efeito osteoindutivo, na superfície de implantes ou arcabouços bioativa, osteoindutiva e osteocondutiva, objeto da presente patente;
[046] A figura 8 mostra superfícies macro e nano tratadas para o processo de osseointegração, na superfície de implantes ou arcabouços bioativa, osteoindutiva e osteocondutiva, objeto da presente patente;
[047] A figura 9 mostra a superfície que estimula o espraiamento e comunicação entre as células, bem como a formação de estruturas induzidas por biogênese.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[048] A superfície de implantes ou arcabouços bioativa, osteoindutiva e osteocondutiva, objeto da presente patente, trata-se de uma superfície tridimensional de engenharia realizada a um corpo, compreendendo uma topografia física e quimicamente controlada e organizada, contendo uma topografia macroscópica, com estruturas maiores que 10 miti, sobre a qual é sobreposta uma topografia microscópica e submicroscópica, com estruturas entre 10 pm a 100 nm, sobre a qual é sobreposta uma topografia nanométrica, com estruturas entre 1 e 100 nm, compreendendo ainda nano características e estruturas em dimensão fractal, semelhante à estrutura de um coral do fundo do mar (biomimetização), sobre a qual podem ser aderidos íons, partículas ou moléculas.
[049] A superfície de implantes ou arcabouços bioativa, osteoindutiva e osteocondutiva, objeto da presente patente, conforme definida acima, tem propriedades bioativas, em que as propriedades bioativas estão relacionadas, mas não se limitam ao tecido ósseo.
[050] Apresentando ainda propriedades de esponja, que favorecem a incorporação de íons, partículas ou moléculas e apresentam propriedades hidrofílicas, formando ângulos de contato com água abaixo de 90 graus, tendendo a 0.
[051] A superfície de implantes ou arcabouços bioativa, osteoindutiva e osteocondutiva, objeto da presente patente, trata-se de uma superfície onde o corpo é feito de um metal ou liga metálica onde a topografia macroscópica é baseada na área de superfície, variando de 1000% a 50% de aumento efetivo de área após procedimentos de conformação, deposição ou subtração de material de superfície, com uma rugosidade Rz e Så controlada entre 0 a 1000 micrômetros (pm).
[052] A superfície possui uma topografia microscópica que inclui a investigação de características em torno de 0,1 a 100 micrômetros, incluindo topografia submicrométrica. [053] Os parâmetros de superfície controlados podem ser apontados com rugosidade com desvio médio aritmético (linear ou espacial) em torno de 0 a 100 pm ; parâmetros Rz e Sz com forma de 0,1 a 100 pm; Ssk de 1 ,0 a -1 ,0, onde a tendência a zero é preferível; e Sku de 0 a 10,0, preferencialmente, tendendo para 3,0.
[054] A superfície possui uma topografia nanoscópica construída sobre a topografia microscópica, apresenta estruturas com dimensões nanométricas em forma de fios, fibras, poros de cerca de 10 nm de espessura com formato de razão de aspecto entre 10 e 1000. [055] A superfície possui formas físicas que podem ser descritas com parâmetro de dimensão fractal, com formação porosa em diferentes escalas de aumento de dimensão. [056] A superfície tem diferentes níveis de dimensões que fornecem um substrato apto ao contato intimai de células. A formação porosa destas estruturas pode ser de 50 pm a 1 ,0 pm. Em seguida, com maior aumento, encontram-se poros de 1 ,0 a 0,1 pm e, por sua vez, em maior aumento no microscópio, estruturas abaixo de 100 nm são encontradas e caracterizadas, dessa forma, a área superficial efetiva apresenta-se com aumento elevado em relação à superfície inicial sem tratamento, o que lhe confere uma energia superficial termodinamicamente metaestável quando comparada a superfície sem tratamento, o que provoca a propriedade de incorporar íons que fazem parte, mas não estão limitados ao grupo de íons biológicos (K+, Ca2+, Sr2+, Mg2+, PO42 ), e de aderir partículas que fazem parte, mas não se limitam ao grupo dos fosfatos de cálcio com incorporações de estrôncio, além de aderir moléculas que fazem parte, mas não estão limitadas ao grupo de biomoléculas adesivas para células, tais como osteopontina, actinas, integrinas e outras. Proporcionando, assim, uma melhoria significativa na conexão óssea de implantes cirúrgicos ortopédicos e/ou odontológicos.
[057] Assim, de acordo com as características acima descritas, a superfície de implantes ou arcabouços bioativa, osteoindutiva e osteocondutiva, objeto da presente patente, apresenta as vantagens de ser uma superfície com propriedades de atração e adesão de bio-íons e biomoléculas, em especial, compreendendo, mas não se limitando aos íons K+, Ca2+, Sr2+, Mg2+, PO42 ’ que são capazes de melhorar as atividades metabólicas e também fornecer substrato à moléculas do grupo, incluindo, mas não limitado, à osteopontina, actinas, integrinas e moléculas bioativas para efeitos específicos; que possui propriedades aumentadas de atração e adesão celular, onde as células são parte, mas não limitadas ao grupo que consiste em células estaminais mesenquimatosas humanas, células osteoblásticas, plaquetas e monócitos; que controla dinamicamente a expressão do gene celular, onde os genes fazem parte, mas não se limitam, ao grupo de genes que controlam 0 processo de osteoindução, processo de osteocondução e processo osteogênico. A superfície com efeito esponja permite a incorporação de substâncias que também exercem função anti-infecciosas.
[058] Assim, 0 implante que aplica tal superfície possui propriedades bioativas, osteoindutivas e osteocondutivas.
[059] O método de obtenção da superfície de implantes ou arcabouços bioativa, osteoindutiva e osteocondutiva, objeto da presente patente, consiste no tratamento de superfície do implante por qualquer tipo de processamento macrotopográfico para obter a superfície macroestruturada.. Em seguida, a superfície é limpa e preparada para micromodificações topográficas provocadas por tratamento químico e/ou eletroquímico controlado. Em seguida, um novo tratamento químico e/ou eletroquímico é aplicado para produzir nano características em dimensão fractal, conferindo estrutura com efeito de esponja em escala micro e nanométrica enriquecida com bio-íons, ajustável para geometrias e designs complexos. O tratamento com micro-modificação química e/ou eletroquímica, seguido de tratamento com meio alcalino controlado, resulta em micro e nanotopografia, que compreende características que promovem contato sensorial com as células na dimensão de filopodia, proporcionando interação no nanoambiente com as células aderidas e fixadas à superfície.
[060] A capacidade e propriedade de micro e nanoesponja se deve à atratividade com íons bioquímicos e biomoléculas, compreendendo íons capazes de melhorar as atividades metabólicas, além de fornecer ao substrato capacidade de incorporação e dopagem de P, Na, Sr, K, Mg e Ca, em seguida, a imobilização e ancoramento de moléculas como osteopontina, actinas, integrinas. Em seguida, a superfície passa por imersão em água deionizada e secagem controlada, obtendo-se uma superfície com energia de superfície metaestável e reativa com o meio fisiológico, com aumento da adesão celular e efeitos bioativos, osteocondutores eosteoindutivos.
FORMA PREFERENCIAL DE REALIZAÇÃO DA INVENÇÃO
[061] A modificação em macroescala pode ser obtida usando métodos físicos e metalúrgicos. O processamento aditivo e subtrativo é empregado na produção de superfícies de implantes para proporcionar o intertravamento mecânico, evitando micromovimentos entre o implante e o osso. Processamentos extrativos como jateamento com areia, jateamento a frio (em alguns casos) e procedimentos aditivos, como pulverização com plasma de metal (TPS), podem fornecer alterações em escalas macro. [062] Induzindo a formação de estruturas ou asperezas em torno de 100 miti, a estabilidade primária pode ser atingida na escala macroscópica e os movimentos podem ser reduzidos. Micromodificações são realizadas utilizando-se de tratamentos químicos e/eletroquímicos para aumento da área efetiva da superfície e proporcionar a dopagem de compostos com fósforo na reconstituição do óxido, com isso, estimula-se adesão das células. O enriquecimento de fósforo na superfície é importante para melhorar a condição química da superfície e proporcionar adesão das células em condições energéticas favoráveis. As células aderem, preferencialmente, à superfície, tendo a energia da superfície diferente do equilíbrio, sendo hidrofílica, metaestável e com adição de fósforo.
[063] Além disso, a nano topografia fornece substrato adequado para interagir com a membrana celular, podendo favorecer a proliferação das células e a comunicação entre células, papel fundamental para prover conexões para o processo de vascularização e irrigação dos sistemas biológicos adjacentes. Os osteócitos diferenciados a partir de células osteoblásticas são responsáveis por se converterem em tecidos vascularizados. [064] Deste modo, a estabilidade terciária, em longo prazo, pode ser favorecida e estabelecida.
[065] A superfície do produto final, após imersão em soluções que contenham bio-íons, pode ser enriquecida adequadamente. A atratividade iônica dessa superfície pode ser medida após a imersão em soluções corporais ou meios de cultura. Alto enriquecimento com elementos, tais como P, Ca, Na, Mg, Sr e K, foi encontrado, assim como , adesão e espraiamento celulares elevados.
[066] Energia de superfície negativa não fornece barreira físico-química para a adesão de células, eventos de proliferação e espraiamento celulares. A invenção descrita pode atingir a energia livre interfacial da superfície de adesão mais negativa que 35 mJ.irr2.
[067] Estas condições demonstraram alta quantidade de células aderidas à superfície e morfologias alteradas, de forma esparsa, espraiada e circunferencial, capazes de induzir a diferenciação osteoblástica, expressão gênica e eventos relacionados à mineralização do tecido ósseo.
[068] Em resumo, a macro rugosidade, a energia superficial, a micro e a nanotopografia obtidas podem alterar a forma do núcleo das células, razão para estimular expressão gênica de determinadas proteínas. A formação óssea depende de uma cascata de eventos no campo biológico. Por essa razão, essas superfícies com multiescala desenvolvidas têm papel fundamental na interação célula-substrato. Uma interface de alto desempenho pode ser obtida e a osseointegração aperfeiçoada.
[069] Considerando-se a complexidade biomecânica seguida de eventos biológicos, a superfície relatada foi cuidadosamente dimensionada para fornecer características únicas no substrato que constitui ambiente favorável para células construírem a interface de alto desempenho. Uma taxa aumentada de sucesso pode ser estimulada, assim como um tempo reduzido de cura pode ser alcançado, ambos com estas condições.
EXEMPLOS
[070] Modificação de superfície com tratamento ácido em meio contendo fosfato combinado com o tratamento alcalino para ligas de titânio são mostrados na figura 2, na qual a superfície de um implante em forma de parafuso foi revestida completa e homogeneamente.
[071] A construção da superfície segue uma sequência de procedimentos para fornecer macro, micro e nano modificações controladamente construídas na superfície. Pode ser aplicada rugosidade e ondulação em escala macro usada para melhorar a estabilidade mecânica, depois revestida por tratamentos químicos e ou eletroquímicos para fornecer os substratos presentes na sequência de exemplos.
[072] A figura 4 mostra a liga de titânio, processada por uma sequência de deformação plástica. Após preparo e beneficiamento metalúrgico, este material foi submetido à sequência de processamento, aqui descritos, para modificação da superfície. Utilizando tratamentos com ácido, podem-se ocasionar alterações topográficas, devido à formação suscetível ao processo de extração pelo ácido. Esta morfologia ainda pode ser aprimorada com o tratamento alcalino já descrito neste documento. Essas combinações proporcionam uma superfície bimodal estruturada, capaz de melhorar a área de contato do implante e do osso, de macro para nanoescala. Subtraindo com ácido algumas regiões compostas por fases metálicas solúveis, a superfície foi adaptada para melhorar todos os níveis de conexão entre o implante/osso.
[073] Adicionalmente, estas superfícies podem fornecer uma esponja contendo a estrutura que mimetiza um recife de coral micro e nanométrico, que funciona como substrato e reservatório para íons que cooperam em atividades biológicas relacionadas às reações metabólicas das células. Esta tecnologia é inspirada no próprio osso composto e sua estrutura complexamente organizada, contendo estruturas porosas que funcionam também como reservatório para reações bioquímicas. De acordo com estas considerações, as superfícies descritas em níveis multiescalas do macro ao nano foram moduladas para fornecer o substrato adequado para a integração óssea ao implante. [074] Ao proporcionar este conjunto de características macro a nano projetadas, as superfícies amplificam os processos vinculados à mineralização óssea em contato com células pluripotentes, observadas nas figuras 6 e 7, concentrações mais elevadas de mineralização em superfícies micro e nano topograficamente alteradas, comparadas ao material em condições lisas. O SP7 codifica genes específicos aos processos de transcrição durante processo de diferenciação. Este comportamento, associado à mineralização na figura 1 , pode demonstrar e evidenciar este importante mecanismo encontrado nesta superfície desenvolvida em multiescala. Além disso, a osteoindução refere-se à eficiência com que o substrato induz o processo de diferenciação osteoblástica, bem como o processo de formação óssea. A expressão deste gene está vinculada à ambos os processos.
[075] Esses achados ressaltam a importância das propriedades da superfície para induzir a diferenciação da linhagem osteoblástica associada a eventos de mineralização e demonstram condições osteoindutivas e osteocondutivas da superfície com as características reivindicadas.
[076] Comportamentos inovadores para estes tipos de construções de superfícies podem ser encontrados e a combinação de processamento proposto demonstrou forças de atração e alta adesão para ambos os tipos de fluido, polar e apoiar. Este comportamento pode fornecer uma forte capacidade de adesão, atraindo de forma versátil uma ampla gama de proteínas. Este efeito sinérgico culmina em alta energia superficial e melhor adesão celular a esta superfície anfifílica.
[077] Avaliando a expressão gênica induzida pelo tratamento citado, há regulação positiva de proteínas relacionadas ao osso, indicando o potencial da superfície de modular o comportamento desde os osteoblastos até das células-tronco mesenquimais.
[078] Finalmente, esta inovação é baseada inteiramente na combinação de procedimentos capazes de melhorar as respostas biológicas em material sintético aplicado à interface material/tecidos do corpo.
[079] As elevadas forças de atração e alta adesão para ambos os tipos de fluido, polar e apoiar, constituindo características anfifílicas, que podem favorecer uma forte capacidade de adesão, atraindo de forma versátil uma ampla gama de proteínas, e proporcionando um substrato para adesão e espraiamento celulares, figura 9 (esquerda), em que células marcadas com coloração em verde e o núcleo em azul podem ser observadas, demonstrando a força de adesão presente, provocada pela superfície, associada ao efeito da comunicação e interação celulares, fundamentais para o desenvolvimento, transporte de substâncias e irrigação dos tecidos ósseos.
[080] Com efeito, associada a este comportamento biológico, a tecnologia de superfície estimula bioatividade, promovendo a formação de cristais à base de fosfato de cálcio, figura 9 (direita).
[081] Este efeito sinérgico culmina em superfície reativa, com energia de superfície instável (negativa ou positiva), que favorece a adesão celular, além de ser observado espraiamento celular elevado e comunicação entre as extremidades das células, precursores da irrigação do tecido a ser formado por completo.
[082] Finalmente, esta inovação é baseada inteiramente na combinação de procedimentos que produzem uma complexa e organizada estrutura em níveis macro, micro e nanoescalas, capazes de proporcionar às células os estímulos que permitem induzir células indiferenciadas em células osteoblásticas e sinergicamente pode favorecer processos para melhorar as respostas biológicas em material sintético aplicado à interface material/tecidos do corpo.
VANTAGENS
[083] Desta forma, a superfície de implantes ou arcabouços bioativa, osteoindutiva e osteocondutiva e método de produzir tal superfície, objeto da presente patente, conforme descritos acima, apresenta uma configuração nova e única que lhe configura grandes vantagens em relação aos elementos de implantes e métodos de obtenção dos mesmos atualmente utilizados e encontrados no mercado. Dentre essas vantagens, podem-se citar: o fato de poder ser aplicado a qualquer implante metálico, não somente dentários, mas também ortopédicos, cardiológicos, entre outros; o fato de prever a modificação de macroescala, não somente por métodos subtrativos (jateamento, ataque superfície), mas também por métodos aditivos (TPS, PVD entre outros); o fato de realizar tratamento químico e/ou eletroquímico para modificação de superfície em escala micro, não com solução de mistura de ácido sulfúrico e clorídrico; o fato de realizar o tratamento químico e/ou eletroquímico para modificação de superfície em escala nano sem o uso de peróxido de hidrogénio; o fato de produzir uma superfície controlada em todas as escalas (macro, micro e nano); o fato de produzir uma superfície em nanoescala com características fractais e propriedades de esponja, com capacidade para atração e absorção de bio-íons, bio-moléculas e substâncias que podem ser impregnadas à superfície, assim como a dopagem de bio-íons; o fato de produzir uma superfície com topografia controlada em nano-escala capaz de aumentar a atração e adesão celular; o fato de produzir uma superfície com topografia controlada em nano-escala, capaz de controlar a dinâmica de expressão gênica celular; e o fato de produzir uma superfície com topografia controlada em nano-escala com propriedades osteoindutivas e osteocondutivas.
[084] Assim, pelas características de configuração e funcionamento acima descritas, pode- se notar claramente que a SUPERFÍCIE DE IMPLANTES OU DE ARCABOUÇOS BIOATIVA, OSTEOINDUTIVA E OSTEOCONDUTIVA E MÉTODO DE PRODUZIR TAL SUPERFÍCIE trata-se de um produto e seu método de obtenção novo para o estado da técnica, o qual se reveste de condições de inovação, atividade inventiva e industrialização inéditas, que o fazem merecer o privilégio de patente de invenção.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1 - SUPERFÍCIE DE IMPLANTES OU DE ARCABOUÇOS BIOATIVA, OSTEOINDUTIVA E OSTEOCONDUTIVA E MÉTODO DE PRODUZIR TAL SUPERFÍCIE, superfície caracterizada por tratar-se de uma superfície de engenharia tridimensional realizada a um corpo, compreendendo uma topografia física e quimicamente controlada e organizada, contendo uma topografia macroscópica, lisa e/ou com estruturas superficiais macrométricas, sobre a qual é sobreposta uma topografia microscópica, com estruturas superficiais micrométricas e/ou submicrométricas, sobre a qual é sobreposta uma topografia nanoscópica, com estruturas superficiais nanométricas, contendo ainda nano características e estruturas em dimensão fractal, superfície na qual podem ser incorporadas quaisquer espécies químicas e/ou compostos químicos.
2 - SUPERFÍCIE DE IMPLANTES OU DE ARCABOUÇOS BIOATIVA, OSTEOINDUTIVA E OSTEOCONDUTIVA E MÉTODO DE PRODUZIR TAL SUPERFÍCIE, superfície, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada por tratar-se de uma superfície, onde dito corpo é feito de um metal ou liga metálica, onde a topografia macroscópica é obtida por procedimentos de conformação e/ou subtração e/ou deposição de material, com uma rugosidade Rz e Sz, preferencialmente entre 1000 a 0 micrômetros (pm).
3 - SUPERFÍCIE DE IMPLANTES OU DE ARCABOUÇOS BIOATIVA, OSTEOINDUTIVA E OSTEOCONDUTIVA E MÉTODO DE PRODUZIR TAL SUPERFÍCIE, superfície, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizada por possuir uma topografia microscópica incluindo topografia submicroscópica, com estruturas superficiais entre 0 a 100 pm com parâmetros de superfície controlados: rugosidade com parâmetros (Ra e Sa) entre 0 a 100 pm; parâmetros (Rz, eSz) entre 0 a 100 pm; Ssk de 1 ,0 a -1 ,0, preferencialmente zero; e o Sku de 0 a 10, preferencialmente 3; e o Sm entre 0 e 250 pm.
4 - SUPERFÍCIE DE IMPLANTES OU DE ARCABOUÇOS BIOATIVA, OSTEOINDUTIVA E OSTEOCONDUTIVA E MÉTODO DE PRODUZIR TAL SUPERFÍCIE, superfície, de acordo com as reivindicações 1 , 2 e 3, caracterizada por possuir uma topografia nanoscópica; com estruturas superficiais entre 0 a 100 nm, com parâmetros de superfície controlados: rugosidade com parâmetros Ra e Sa entre 0 a 1 pm ; parâmetros Rz, e Sz entre de 0 a 1 pm; Ssk de 1 ,0 a -1 ,0, preferencialmente zero; e Sku de 0 a 10, preferencialmente 3; onde a superfície apresenta dimensão fractal (Df) preferencialmente entre 2 e 3, com estruturas de tamanhos inferiores a 100 nm, independente da razão de aspecto e forma das estruturas, preferencialmente com configuração isotrópica. 5 - SUPERFÍCIE DE IMPLANTES OU DE ARCABOUÇOS BIOATIVA, OSTEOINDUTIVA E OSTEOCONDUTIVA E MÉTODO DE PRODUZIR TAL SUPERFÍCIE, superfície, de acordo com as reivindicações 1 , 2, 3 e 4, caracterizada por apresentar propriedades bioativas, relacionadas, mas não limitadas ao tecido ósseo, propriedades hidrofílicas com ângulos de contato dinâmicos abaixo de 90 graus, propriedades de elevadas atração e adesão de íons, compreendendo mas não se limitando aos íons K+, Ca2+, Sr2+, Mg2+, PO42 e moléculas, compreendendo mas não se limitando à osteopontina, actinas, integrinas, osteocalcina e moléculas bioativas; propriedades de elevadas atração e adesão celulares, em que as células são parte mas não limitadas ao grupo que consiste de células multipotentes, células estaminais mesenquimatosas humanas, células pré-osteoblásticas, células osteoblásticas, osteócitos, osteoclastos, fibroblastos, hemácias, leucócitos, plaquetas e monócitos; ainda sendo capaz de controlar a dinâmica de expressão gênica celular, em que os genes fazem parte mas não se limitam ao grupo de genes que controlam 0 processo de osteoindução, processo de osteocondução e processo osteogênico, e apresentar propriedades osteocondutivas e osteoindutivas.
6 - SUPERFÍCIE DE IMPLANTES OU DE ARCABOUÇOS BIOATIVA, OSTEOINDUTIVA E OSTEOCONDUTIVA E MÉTODO DE PRODUZIR TAL SUPERFÍCIE, método de obtenção da superfície da reivindicação 1 , caracterizado por consistir no tratamento de superfície de corpos compostos por metais e/ou ligas metálicas, obtidos por qualquer tipo de processamento para a obtenção de uma superfície de engenharia tridimensional física e quimicamente controlada e organizada, em macro, micro e nanoescala, através das seguintes ações: modificação da superfície para a formação de uma topografia em escala macroscópica por meio de processamento de conformação e/ou subtração e/ou adição de material na superfície do corpo; em seguida, a superfície é limpa para a remoção de qualquer tipo de resíduo indesejável, modificação da superfície para a formação de uma topografia em escala microscópica e/ou submicroscópica através de tratamento químico e/ou tratamento eletroquímico; em seguida, a superfície é limpa para a remoção de qualquer resíduo indesejável; modificação da superfície para a formação de uma topografia em escala nanoscópica realizada através de tratamento químico e/ou tratamento eletroquímico; em seguida, a superfície é limpa para a remoção de qualquer resíduo indesejável, faz-se a incorporação de espécies químicas à superfície, opcionalmente, faz-se a incorporação de compostos químicos à superfície, opcionalmente, a superfície é lavada e limpa em água deionizada, secada e esterilizada.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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