Publicado em: 06/08/2018 às 10h05

Existe realmente uma interface titânio/osso?

Luis Antonio Violin Pereira ressalta que a integração entre implante de titânio e tecido ósseo é feita através de uma conexão direta e complexa, que envolve interações químicas.

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Do ponto de vista da biologia tecidual, o termo osseointegração se refere a um metal ancorado na parte mineralizada do tecido ósseo sem a presença de uma interface fibrosa visível à microscopia de luz. O estudo ultraestrutural (microscopia eletrônica de transmissão) da interface titânio/osso foi, historicamente, dificultado pela limitação em obter secções ultrafinas contendo tanto a superfície metálica quanto a superfície do tecido ósseo. A caracterização da interface titânio/tecido ósseo – realizada por vários autores utilizando diferentes metodologias – tem possibilitado o desenvolvimento de superfícies metálicas mais adesivas ao tecido ósseo.

Genericamente, o cirurgião-dentista pode ter a visão da osseointegração como um fenômeno físico, pois o tecido ósseo cresce entre as espiras do implante, conferindo estabilidade. No entanto, a osseointegração é muito mais do que a simples integração física entre o titânio e o tecido ósseo, de acordo com as descrições a seguir.

Os primeiros estudos da interface titânio-tecido ósseo foram realizados, por dificuldades técnicas da época, usando um implante de policarbonato revestido por uma fina camada (cobertura) de titânio, o qual foi inserido na tíbia de coelho e removido meses depois. Esse procedimento visava permitir a obtenção de secções ultrafinas da amostra, uma vez que era impossível obter secções ultrafinas de amostras contendo metais. Incrivelmente, o que esses experimentos iniciais demonstraram está de acordo com os modernos resultados da investigação da interface utilizando implantes maciços de titânio. Diferentes técnicas de investigação mostram as mesmas camadas e estruturas na interface titânio/tecido ósseo, apresentando apenas uma pequena variação na espessura das camadas presentes na interface.

Após a remodelação inicial do tecido ósseo ao redor do implante e obtida a estabilidade biológica, a análise pela microscopia de luz demonstrou basicamente ausência de alterações teciduais inflamatórias ou áreas de necrose e dois tipos de tecido em contato com o titânio (Figura 1):

• Tecido ósseo mineralizado (parte mineralizada do tecido ósseo) com características de osso lamelar (maduro) de alta densidade em contato direto com o titânio e ausência de tecido conjuntivo mole na interface da parte mineralizada do tecido ósseo e o titânio.

• Tecido mole (parte não mineralizada do tecido ósseo: periósteo, endósteo e medula óssea) sem alterações em contato com o titânio.

Embora à microscopia de luz pudesse ser observado um contato direto (ou seja, sem interposição de tecido conjuntivo fibroso) entre o titânio e a parte mineralizada do tecido ósseo, ficou evidente, na microscopia eletrônica de transmissão e em outras metodologias de análise, que o titânio apresentava uma interação química com os tecidos biológicos. Isso permitiu descrever em detalhes a interface titânio/tecido ósseo mineralizado (Figura 2).
 

Figura 1 Figura 2


 

(1) Titânio puro.

(2) Camada de óxido de titânio: possui de 5 nm a 10 nm de espessura no momento da colocação do implante e, com o passar dos anos da osseointegração, pode atingir 200 nm de espessura. Essa camada é formada espontaneamente quando o titânio entra em contato com o ambiente. A parte externa da camada de óxido apresenta – de acordo com estudos mais recentes da metodologia de feixe de íons focalizado – íons oriundos dos tecidos biológicos, tais como carbono, cálcio, fósforo e fosfato de cálcio (componentes da hidroxiapatita do tecido ósseo). Esses íons, presentes na região externa na camada de óxido, definitivamente, não são artefatos da técnica de preparo do material e sugerem a interação de componentes biológicos do tecido ósseo que cresce, aproxima e interage no nível molecular com a camada de óxido de titânio, e caracteriza o que vem sendo denominado nano-osseointegração.

(3) Camada de proteoglicanos: possui de 20 nm a 50 nm de espessura, segundo as primeiras investigações, mas pode chegar a ter de 100 nm a 400 nm de espessura, de acordo com outros resultados. É composta, sobretudo, por condroitin sulfato e ácido hialurônico, conforme identificado pela coloração com vermelho de rutênio. Essa camada de proteoglicanos parece atuar como uma cola, conectando os feixes de colágeno (próxima camada) com a superfície do implante. Os proteoglicanos são adsorvidos na camada de óxido de titânio com a ajuda de macromoléculas adesivas, como fibronectina, laminina e osteopontina, as quais contêm a sequência de aminoácidos RGD (arginina, glicina e aspartato). O modo de interação entre a camada de óxido de titânio e as macromoléculas adesivas pode ser por ligações covalentes, ligações iônicas ou ligações de Van der Waals. Nesse contexto, as macromoléculas adesivas possuem, simultaneamente, domínios de ligação para: a) óxido de titânio; b) componentes da matriz extracelular (proteoglicano, colágeno etc.); c) integrinas, as quais são proteínas transmembrana citoplasmáticas que reconhecem e se ligam à sequência RGD das macromoléculas adesivas. Células ósseas possuem integrinas na membrana citoplasmática.

(4) Camada de fibras de colágeno sem orientação molecular: possui aproximadamente 50 nm de espessura, sendo observada externamente à camada de proteoglicanos e ácido hialurônico.

*Depósito de cálcio (focos de calcificação) foi observado nas três camadas descritas previamente, mas em menor densidade na camada de proteoglicanos e ácido hialurônico. Eventualmente, cristais de hidroxiapatita e tricálcio fosfato foram observados em contato direto com a camada de óxido de titânio.


(5) Camada de feixes de colágeno orientada molecularmente (tecido ósseo) que continuam ou já fazem parte das lamelas do tecido ósseo mineralizado.

(6) Células: osteócitos com morfologia normal foram encontrados externamente à camada de colágeno orientada molecularmente, e prolongamentos citoplasmáticos dos osteócitos foram identificados se projetando em direção ao titânio, mas nunca em contato direto com o metal, sempre separados do metal pela camada de proteoglicanos. Osteoblastos também foram identificados margeando a superfície do titânio, mas sempre com a interposição da camada de proteoglicanos e ácido hialurônico entre a célula e o metal.

*A presença de cálcio, fósforo e carbono na camada de óxido de titânio fortalece o entendimento de que a osseointegração – além de ser um fenômeno mecânico – se caracteriza também por ser um fenômeno químico devido ao crescimento de componentes do tecido ósseo para dentro da camada de óxido de titânio e pela presença de ligações químicas entre componentes do tecido ósseo e do titânio.


A microscopia eletrônica de transmissão também permitiu descrever em detalhes a interface entre titânio e as partes moles do tecido ósseo (periósteo, endósteo e medula óssea), na qual é observada a interposição de proteoglicanos e ácido hialurônico entre fibras de colágeno, células do tecido conjuntivo mole e óxido titânio.

Finalmente, se o conceito de interface é o modo como ocorre a “comunicação” entre duas partes distintas e que não podem se conectar diretamente, talvez esse conceito seja inadequado para descrever a integração osso/titânio. Existe uma conexão direta e complexa entre o implante de titânio (óxido de titânio) e o tecido ósseo (macromoléculas de adesão e proteoglicanos), que envolve inclusive interações químicas.


REFERÊNCIAS
1. Albrektsson T, Albrektsson B. Osseointegration of bone implants: a review of an alternative mode of fixation. Acta Orthop 1987;58(5):567-77.
2. Linder L, Albrektsson T, Brånemark PI, Hansson HA, Ivarsson B, Jönsson U et al. Electron microscopic analysis of the bone-titanium interface. Acta Orthop 1983;54(1):45-52.
3. Albrektsson TO, Johansson CB, Sennerby L. Biological aspects of implant dentistry: osseointegration. Periodontol 2000 1994;4:58-73.
4. Albrektsson T. Direct bone anchorage of dental implants. J Prosthet Dent 1983;50(2):255-61.
5. Grandfield K, Gustafsson S, Palmquist A. Where bone meets implant: the characterization of nano-osseointegration. Nanoscale 2013;5(10):4302-8.
6. Kim JS, Kang SM, Seo KW, Nahm KY, Chung KR, Kim SH et al. Nanoscale bonding between human bone and titanium surfaces: osseohybridization. Biomed Res Int 2015;960410.
7. Klinger MM, Rahemtulla F, Prince CW, Lucas LC, Lemons JE. Proteoglycans at the bone-implant interface. Crit Rev Oral Biol Med 1998;9(4):449-63.

 

 

Luis Antonio Violin Pereira

 

Professor titular do Depto. de Bioquímica e Biologia Tecidual (DBBT) da Universidade Estadual de Campinas – Instituto de Biologia (Unicamp-IB).

 

 

 

 

 

 

Colaboração:

Carolina Frandsen Pereira da Costa

Ilustradora; Doutoranda no programa de pós-graduação em Biologia Celular e Estrutural do Instituto de Biologia (Unicamp-IB).

 

 

 

 

 

 

 

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