Proliferação de células precursoras de osteoblastos na superfície de nanofios de TiO2 crescidos anodicamente em um β

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 7895 (2022) Citar este artigo

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Estudos demonstraram que os nanotubos de TiO2 (TNTs) crescidos anodicamente exibem excelente biocompatibilidade. No entanto, os nanofios de TiO2 (TNWs) receberam menos atenção. O objetivo deste estudo foi investigar a proliferação de células precursoras de osteoblastos nas superfícies de TNWs cultivadas por anodização eletroquímica de uma liga Ti-35Nb-7Zr-5Ta (TNZT). Superfícies TNT e TNZT planas foram usadas como amostras de controle. As células MC3T3-E1 foram cultivadas nas superfícies das amostras por até 5 dias, e a viabilidade e proliferação celular foram investigadas usando microscopia de fluorescência, ensaio colorimétrico e microscopia eletrônica de varredura. Os resultados mostraram menores taxas de proliferação celular na superfície TNW em comparação com as amostras de controle, sem diferenças significativas na sobrevivência celular entre as condições experimentais. As medidas dos ângulos de contato mostraram um bom nível de hidrofilicidade para os TNWs, no entanto, seu diâmetro relativamente fino e sua alta densidade podem ter afetado a proliferação celular. Embora mais pesquisas sejam necessárias para entender todos os parâmetros que afetam a biocompatibilidade, essas nanoestruturas de TiO2 podem representar ferramentas promissoras para o tratamento de defeitos ósseos e regeneração de tecido ósseo, entre outras aplicações.

O titânio e suas ligas possuem alta resistência específica (relação resistência/peso) e a melhor biocompatibilidade entre os metais. O titânio forma naturalmente um óxido (TiO2) em sua superfície, o que o protege efetivamente da corrosão, mesmo em meio aquoso. Portanto, apesar de seus custos de produção relativamente altos, o titânio é vantajoso para muitas aplicações, principalmente nas indústrias aeroespacial1 e biomédica2. Em baixas temperaturas, o titânio puro tem uma estrutura cristalina hexagonal compacta, conhecida como fase α, que sofre uma transformação alotrópica a 882 °C em uma estrutura cúbica de corpo centrado, conhecida como fase β. Para estabilizar a fase β em temperaturas mais baixas, elementos de liga como Mo, Nb, V e Ta podem ser adicionados ao titânio. As ligas de titânio são amplamente utilizadas na fabricação de materiais biomédicos, principalmente aqueles usados ​​para substituir tecidos duros. A fase β do titânio exibe um módulo de elasticidade consideravelmente baixo, o que aumenta a compatibilidade mecânica entre o implante e o osso. O módulo de elasticidade de um implante deve ser o mais próximo possível do osso para reduzir o efeito de blindagem de estresse3, que é um problema sério que pode causar perda de massa óssea (osteopenia) e, eventualmente, levar à falha do implante. Os módulos elásticos de biomateriais comumente usados, como titânio comercialmente puro ou aço inoxidável, podem ser até seis vezes maiores que os do osso4. Nos últimos anos, as ligas de titânio do tipo β, baseadas no sistema quaternário Ti-Nb-Zr-Ta, têm sido estudadas para aplicações em implantes cirúrgicos5 devido à sua biocompatibilidade superior e baixos módulos elásticos. Um desses materiais é o Ti-35Nb-7Zr-5Ta (TNZT), uma liga de β-titânio metaestável com baixo módulo de elasticidade (aproximadamente 60 GPa6,7) e livre de elementos tóxicos. Outra preocupação crítica é a capacidade do implante de osseointegrar, ou seja, formar uma fixação estável com o osso. Quando um implante é inserido no corpo humano, gera uma resposta inflamatória, que termina com o encapsulamento do implante por moléculas de colágeno. Essa formação de cápsula é difícil de evitar, mas os materiais à base de titânio apresentam encapsulamento mínimo em comparação com outros metais biomédicos, como aço inoxidável e ligas de Co-Cr2.

Apesar das vantagens do titânio sobre outros biomateriais metálicos, mais avanços são necessários para melhorar a osseointegração e reduzir a taxa de rejeição do implante. Como a biocompatibilidade do implante está intimamente relacionada à química e à topografia de sua superfície, as modificações de superfície do titânio foram extensivamente estudadas8,9, incluindo o crescimento de nanotubos de TiO2 (TNTs)10 por anodização eletroquímica. Este último envolve a aplicação de um potencial elétrico entre o substrato de titânio ou liga de titânio (ânodo) e um contraeletrodo (cátodo), separados por um eletrólito contendo flúor. A formação de TNTs durante a anodização se deve a uma combinação de processos simultâneos, que podem ser resumidos como uma competição entre o crescimento assistido por campo da camada de TiO2 e a dissolução química do TiO2 pelo eletrólito contendo flúor, ocorrendo preferencialmente no tubo base11. Durante o crescimento anódico dos TNTs, nanofios de TiO2 (TNWs) podem ser formados na porção superior dos TNTs por um processo de divisão vertical dos TNTs, conhecido como "bamboo-splitting model"12. A nanoestrutura final é composta de TNTs com TNWs no topo, e o comprimento dos TNWs pode ser ainda maior que o dos TNTs. Os parâmetros de anodização necessários para a formação dos TNWs podem variar em função da composição do substrato (ânodo), sendo que a liga TNZT favorece sua formação13. Os TNWs também podem ser sintetizados por outras técnicas, como eletrofiação, ablação a laser e oxidação14. O termo nanofibras de TiO2 (TNFs) também é utilizado na literatura para descrever estruturas semelhantes às TNWs. Embora a diferença entre esses dois termos não seja clara, os TNWs normalmente têm diâmetros da ordem de dezenas de nanômetros, enquanto os TNFs têm diâmetros maiores de até 1 μm15. Tanto os TNWs quanto os TNFs têm uma alta área de superfície, o que pode ajudar as células a se ligarem e proliferarem. Estudos de biocompatibilidade de scaffolds fibrosos poliméricos16 mostraram que esse tipo de morfologia oferece um ambiente favorável para as células, devido à sua semelhança com a matriz extracelular óssea nativa. Além disso, os TNWs crescidos anodicamente têm a vantagem de poderem ser facilmente crescidos mesmo em implantes com geometrias complexas e, como crescem diretamente do substrato, nenhuma etapa adicional é necessária para fixá-los à superfície do implante.