Publicado em: 26/09/2018 às 14h50

Como a superfície do implante de titânio interage com o tecido ósseo?

Afinal, por que o titânio osseointegra e os demais metais não osseointegram? Luis Antonio Violin Pereira responde.

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Inúmeros artigos científicos publicados analisaram a influência das propriedades dos implantes (composição química, cargas elétricas, resistência mecânica e características da superfície) na osseointegração. No entanto, existem poucas explicações referentes à biocompatibilidade e às interações celulares com a superfície do implante de titânio.
 

1) Afinal, por que o titânio osseointegra e os demais metais não osseointegram?

a. Porque o titânio é biocompatível. Entende-se como biocompatibilidade a capacidade do material: interagir com o organismo sem induzir resposta imunológica adversa ou de toxicidade; não produzir resposta inflamatória aguda ou crônica; permitir a diferenciação das células dos tecidos adjacentes; e desempenhar uma função específi ca. Ainda, o material deve ser quimicamente estável e apresentar apropriada resistência à corrosão, para prevenir sua degradação no ambiente biológico. Neste contexto, o aço inoxidável, as ligas de cobalto-cromo e outros metais são biocompatíveis, entretanto, não osseointegram.

b. Ou seja, o metal utilizado para a osseointegração não deve apenas ser biocompatível, mas também ter a capacidade de induzir respostas no tecido ósseo que facilitem a migração, a diferenciação e a adesão das células com a superfície do implante.
 

2) O titânio induz o tecido ósseo a realizar o processo de osseointegração?

a. De modo geral, os metais sofrem oxidação com diferentes velocidades e formam uma camada de óxido com densidade e espessura que variam com sua capacidade de reagir com o oxigênio.

b. Ao entrar em contato com o ar e a água, o titânio sofre um processo rápido, passivo e limitado de oxidorredução. Esse processo permite a formação de uma fina camada (5 nm a 10 nm) de óxido de titânio (Figura 1) na superfície metálica do implante, isto é, o metal perde elétrons (reação anódica), enquanto o oxigênio da água sofre redução (ganha elétrons e se torna O2 -). A camada de óxido de titânio, por ser extremamente densa e aderente ao substrato, não provoca fragilidade na estrutura metálica. A rápida oxidação e o tipo de óxido formado são os responsáveis pela interação eficiente com o meio biológico.

c. A maior diferença entre o óxido de titânio e outros óxidos metálicos é a sua capacidade de quebrar ligações entre os átomos da água e dos fluidos corporais, e permitir a formação de cargas positivas e negativas, as quais permanecem na sua superfície (Figura 1, camada iônica).

d. Assim, a superfície do implante de titânio se recobre de íons positivos e negativos, e se apresenta pronto para interagir quimicamente – no começo, com íons e proteínas plasmáticas, depois com as proteínas da matriz óssea que serão produzidas por osteoblastos. Vale lembrar que as proteínas são formadas pela combinação de aminoácidos que podem conter cargas positivas ou negativas e ser apolares (hidrofóbicos) ou polares (hidrofílicos). Deste modo, interações químicas ocorrerão entre as proteínas plasmáticas e ósseas e a superfície de titânio.

e. Em resumo, o implante de titânio osseointegra porque possui uma fina camada de óxido (camada de passivação) que impede a perda de íons do metal para o ambiente e o protege, permitindo sua interação com o meio biológico. Por outro lado, o óxido de cromo formado na superfície do aço inoxidável não faz essas interações químicas com o meio biológico, além disso os demais metais com alto grau de oxidação apresentam dificuldade em manter a integridade no meio biológico e dificultam a estabilidade do implante.
 

3) Como é realizada a interação inicial do titânio com o meio biológico?

a. As características superficiais do implante, a natureza da membrana citoplasmática, a expressão de receptores de membrana celular e a organização do citoesqueleto são primordiais para a adesão da célula – mediada por glicoproteínas da matriz extracelular – à superfície do implante.

b. Imediatamente após a estabilização mecânica do implante no alvéolo cirúrgico, na camada de óxido de titânio, ocorre a adsorção de proteínas plasmáticas (com cargas positivas e negativas) na superfície do implante (Figura 1). As proteínas plasmáticas são importantes no recrutamento das células indiferenciadas e união com a superfície do implante.

c. Portanto, quanto maior for a espessura da camada de óxido de titânio e/ou da camada iônica na superfície do implante, melhor será a adsorção de proteínas plasmáticas e mais fácil será o recrutamento das glicoproteínas não colagênicas (elementos da matriz extracelular) e das células à superfície do implante.
 

4) Como as células interagem com o titânio?

a. Uma vez instalado o implante de titânio no tecido ósseo, forma-se o coágulo (fibrina) ao redor do implante. Devido à presença da camada de óxido de titânio (com capacidade de quebrar ligações entre os átomos da água e fluidos corporais, e permitir a formação de cargas positivas e negativas na superfície), tanto a fibrina quanto as proteínas plasmáticas (com carga positivas e negativas) são adsorvidas à superfície do implante (Figura 1).

Figura 1.

 

b. Externamente à camada de fibrina, encontra-se uma fina camada de tecido ósseo necrótico. Nos dias subsequentes, o osso necrótico começa a ser reabsorvido pelos osteoclastos oriundos da área de osso vivo. A reabsorção óssea estimula o processo de neoformação da matriz óssea pelos osteoblastos. Células indiferenciadas ou osteoprogenitoras, oriundas do tecido ósseo vivo, ao encontrarem a rede de fibrina, deparam-se com um substrato que possibilita a migração em direção ao implante (Figura 2).

 

Figura 2.

 

c. Ao se diferenciarem em osteoblastos, essas células secretam, entre outros elementos da matriz óssea, glicoproteínas não colagênicas, tais como: fibronectina, osteopontina, sialoproteína óssea, vitronectina e fibrinogênio (Figura 2). Essas glicoproteínas possuem vários domínios bioquímicos:

 

• Domínios bioquímicos para se ligarem às proteínas plasmáticas adsorvidas à superfície do implante;

• Domínios bioquímicos para se ligarem a outros elementos da matriz extracelular;

• Uma sequência de aminoácidos referida como RGD (Arg-Gly-Asp) específi ca para a ligação com receptores da membrana citoplasmática (integrinas) de diversos tipos celulares.

d. Quando as células sanguíneas, células indiferenciadas ou ósseas, através de suas integrinas, reconhecem as proteínas plasmáticas e as glicoproteínas não colagênicas (pela sequência RGD) adsorvidas inicialmente à superfície do implante, desencadeiam respostas imunes relacionadas com o perfil anti-inflamatório, regenerativo e, consequentemente, relacionado ao processo de osseointegração. As células ósseas começam, então, o processo de neoformação óssea ao redor do implante até a formação da “interface” definitiva e – documentada pela literatura – sendo formada pela camada de óxido de titânio (contendo íons derivados da hidroxiapatita) e elementos da matriz óssea1.

e. As integrinas são proteínas transmembrana presentes na membrana citoplasmática:

• Possuem um domínio bioquímico voltado para o meio extracelular, que permite a interação com as glicoproteínas não colagênicas e outros componentes da matriz extracelular;

• Possuem também outro domínio bioquímico voltado para o meio intracelular, que permite a interação com o citoesqueleto, o qual pode fazer a modulação da expressão gênica. As integrinas intermediam o contato de ligantes do meio extracelular com estruturas citoplasmáticas, que induzem ou modulam a adesão, espalhamento, migração e diferenciação celulares.

f. Em resumo, o óxido de titânio, ao quebrar as moléculas de H2O e dos fluidos corporais, gera cátions e aníons que atraem proteínas plasmáticas (com carga positiva e negativa) da rede de fibrina para a superfície do implante de titânio. A rede de fibrina facilita a chegada de células na superfície do implante que, ao secretarem glicoproteínas não colagênicas, permitem que façam interações com as proteínas plasmáticas adsorvidas na superfície do implante. As glicoproteínas não colagênicas podem interagir com outros elementos da matriz extracelular e com as integrinas presentes na membrana citoplasmática de diversos tipos celulares.

g. Uma vez estabilizados na superfície do implante, por meio de integrina e elementos da matriz extracelular, os osteoblastos iniciam o processo de formação óssea ao redor do implante (estabilidade biológica).
 

REFERÊNCIA
1. Pereira LAVD, Costa CFP. Existe realmente uma interface titânio/osso? ImplantNewsPerio International Journal 2018;3(4):635-7.

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
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• Williams DF. Biocompatibility: an overview. Concise Encyclopedia of Medical & Dental Materials. Pergamon Press and MIT Press, 1990. p.51-9.
• Pires ALR, Bierhalz ACK, Moraes AM. Biomateriais, tipos, aplicações e mercado. Quim Nova 2015;38(7):957-71.

 

 

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).








 

Carlos Nelson Elias

Pesquisador nível 1A do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) no Biomaterials Laboratory; Mestre e doutor em Ciências dos Materiais pelo Instituto Militar de Engenharia (IME), no Rio de Janeiro; Professor titular do IME.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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