O que é a liga de titânio poroso e para que é utilizada?

O Ti e as ligas de titânio têm várias e incomparáveis vantagens, como a baixa densidade, o elevado rácio de resistência, a boa resistência à corrosão, a resistência à fadiga e a biocompatibilidade, que têm sido consideradas como um dos biomateriais mais ideais atualmente e se tornaram os materiais preferidos pelos clínicos para a implantação óssea e a reparação dentária. No entanto, o módulo de elasticidade do Ti e das ligas de titânio varia entre 50 e 114 GPa, dos quais o mais utilizado é o Ti6Al4V é de 110GP, o que é muito superior ao módulo de elasticidade do osso humano (0,02 a 20GPa). O desfasamento do módulo de elasticidade resulta numa fraca transferência de carga do implante para o tecido ósseo adjacente, resultando num fenómeno de "stress shielding" (proteção contra o stress), que conduz à absorção óssea, ao adelgaçamento gradual do osso cortical e ao afrouxamento do implante, e até à falha cirúrgica. Além disso, a simples ligação mecânica entre o implante metálico fraco e o tecido ósseo humano afecta o tempo de vida do implante. Por conseguinte, é necessário desenvolver um novo material médico que possa corresponder às propriedades mecânicas do tecido ósseo e promover o crescimento e a cicatrização do tecido ósseo, e os implantes de Ti poroso, nomeadamente Ti ou ligas de titânio com estruturas porosas, estão a tornar-se cada vez mais pontos de interesse para a investigação.

A estrutura porosa é muito semelhante à microestrutura do osso humano e tem as características de pequena densidade, grande área de superfície específica e boa absorção de energia. A liga de titânio porosa combina excelentes propriedades físicas e químicas da liga de titânio e da estrutura porosa, que podem ser usadas para simular a estrutura trabecular do osso humano e reduzir o módulo de elasticidade da liga de titânio densa. A estrutura de poros única do Ti poroso e da liga de titânio favorece o transporte de fluidos corporais e nutrientes, e a sua superfície rugosa favorece a diferenciação e o crescimento de novo tecido ósseo no implante, promovendo a rápida formação de tecido ósseo no interior do poro e a ligação efectiva com o tecido ósseo externo, de modo a melhorar a resistência da ligação sob a forma de ligação óssea. A liga de titânio poroso é atualmente utilizada em implantes ósseos humanos, artroplastia da anca, etc., e é considerada um dos materiais biomédicos mais promissores da atualidade. No entanto, não existe uma conclusão unificada sobre o tamanho ideal dos poros, a porosidade e outros parâmetros geométricos.

Depois do aço inoxidável e da liga de cobalto, o Ti poroso e a liga de titânio tornaram-se a terceira geração de materiais metálicos médicos emergentes no domínio do tratamento médico e clínico. O excelente material para a substituição de tecidos duros humanos deve satisfazer os seguintes requisitos:

• Propriedades mecânicas semelhantes às do osso humano. As propriedades mecânicas, tais como o módulo de elasticidade, são as principais questões que devem ser consideradas no Ti poroso como material de substituição do tecido ósseo humano. Tem também um módulo de elasticidade semelhante ao do osso humano (módulo de elasticidade do osso compacto 3~30 GPa, módulo de elasticidade do osso esponjoso 1~2 GPa) e resistência mecânica suficiente (resistência à compressão do osso compacto 0,3~1,5 MPa, resistência à compressão do osso esponjoso 100~230 MPa). Por conseguinte, a relação entre a porosidade, a resistência e o módulo de elasticidade deve ser considerada de forma abrangente. A liga porosa de Ti equilibra a resistência e o módulo de elasticidade, satisfazendo os requisitos de suporte de carga in vivo e tem compatibilidade mecânica.
• Boa biocompatibilidade e bioatividade. A biocompatibilidade e a bioatividade são as condições prévias para o êxito da aplicação clínica de implantes de Ti poroso, que favorecem a adesão, a proliferação e o crescimento de osteoblastos e promovem o crescimento de células ósseas no implante para formar a fixação biológica entre o implante e o osso. A estrutura de poros conectados melhora a biocompatibilidade dos implantes de Ti até certo ponto, mas o Ti é um material bio-inerte, que só pode ser combinado mecanicamente com os implantes. A composição química, a estrutura e as propriedades de superfície adequadas podem melhorar a atividade biológica do Ti poroso, o que favorece a formação de uma boa ligação óssea entre o implante e o tecido ósseo. Por conseguinte, a modificação da superfície é muito importante para melhorar a biocompatibilidade e a bioatividade do Ti poroso.
• Boa porosidade. As propriedades mecânicas do Ti poroso foram ajustadas pela porosidade, tamanho dos poros e distribuição dos poros para corresponder ao osso natural. A porosidade adequada foi 50%-80% e o tamanho dos poros foi 150-500 μm, o que também criou condições para o crescimento interno das células e o fluxo de fluidos.
• Boa resistência à corrosão. A existência de poros provoca uma corrosão local complexa do Ti poroso no ambiente do fluido corporal. A área de superfície extremamente expandida aumenta a possibilidade de reação de contacto entre o implante e o fluido corporal, facilitando a ocorrência de danos por corrosão. A taxa de corrosão está intimamente relacionada com o ambiente do fluido corporal, a porosidade, a morfologia e a estrutura dos poros, etc. Pode verificar-se que a porosidade e outros parâmetros relacionados são também a chave para o controlo da resistência à corrosão do Ti poroso.

Sendo o material de reparação óssea com maior potencial, o Ti poroso deve suportar uma certa pressão e ter propriedades mecânicas compatíveis com o tecido ósseo para evitar falhas cirúrgicas causadas pela concentração de tensões. Uma boa biocompatibilidade e bioatividade são também condições necessárias para que o Ti poroso seja utilizado como material de implante ortopédico.

A estrutura porosa tridimensional conectada é uma caraterística significativa do Ti poroso biomédico e das ligas de titânio. As propriedades mecânicas ideais e a biocompatibilidade estão intimamente relacionadas com o controlo da porosidade e do tamanho dos poros, pelo que a preparação de Ti poroso e de ligas de titânio é particularmente importante. Atualmente, existem muitos métodos de preparação para Ti poroso e ligas de titânio, incluindo sinterização, formação rápida e deposição.

Método de sinterização

O método de sinterização é um método tradicional de preparação de materiais metálicos, que é feito de metal como matéria-prima em vácuo ou atmosfera protetora através de tratamento térmico a alta temperatura. O método de sinterização é também um método comum de preparação de Ti poroso. De acordo com os diferentes métodos de obtenção de estrutura de poros, pode ser dividido em método de agente formador de poros, emaranhamento de fibras, método de empilhamento de microesferas, processo de imersão em esponja.

Método de prototipagem rápida

A prototipagem rápida (PR) é um método de fabrico de peças sólidas em 3D com formas complexas controladas por um modelo CAD. É rápido, preciso e pode fabricar sólidos com formas complexas. É um método ideal para fabricar peças sólidas porosas Ti. 3D impressão, moldagem por injeção de gel e outras tecnologias de prototipagem rápida.

Método de deposição

O Ti e a liga de titânio são biomateriais inertes típicos. Para encurtar o período de cicatrização após a implantação e melhorar a capacidade do implante para se ligar ao osso humano, a ativação da superfície do Ti poroso e da liga de titânio é um método eficaz. Os métodos de modificação da superfície do Ti poroso e da liga de titânio incluem principalmente um método mecânico, um método físico, um método eletroquímico, um método químico e um método bioquímico (deposição reactiva, eletrodeposição, evaporação em vácuo, pulverização de plasma, etc.).

Implantes orais e maxilofaciais

O Ti e as ligas de titânio são habitualmente utilizados na reparação de dentes e ossos, mas o seu módulo de elasticidade é ainda ligeiramente superior ao do osso autólogo, o que limita o Ti como material de reparação óssea. Na cirurgia oral e maxilofacial, a aplicação da tecnologia de fabrico aditivo em implantes porosos e implantes está ainda a ser investigada em geral, mas as experiências de simulação fornecem dados fiáveis.

Implante de coluna vertebral

Um dispositivo de fusão intercorporal é um implante comummente utilizado para doenças da coluna vertebral que restaura a altura do disco e permite a fusão óssea. Atualmente, as empresas norte-americanas Stryker, Nexxt Spine e Joimax, na Alemanha, obtiveram a aprovação de comercialização dos seus produtos de fusão em liga de titânio poroso, que estão a ser gradualmente aplicados na prática clínica.

Implante de anca

A substituição total da anca tem sido amplamente utilizada no tratamento da necrose da cabeça do fémur, da fratura do colo do fémur e de outras doenças, sendo uma das substituições de articulações artificiais mais realizadas. O copo acetabular é um implante de anca comummente utilizado. Atualmente, foram registados e aprovados vários copos acetabulares de liga de titânio poroso impressos em 3D.

Em conclusão, o Ti poroso tem uma vantagem absoluta no futuro, no domínio dos materiais de reparação óssea em medicina clínica, devido às suas boas propriedades abrangentes. No entanto, a investigação sobre a modificação da superfície, a bioactivação e o mecanismo de indução do tecido ósseo ainda tem de ser mais estudada. O Ti poroso com uma melhor combinação de biomecânica e atividade biológica pode ser preparado seleccionando métodos de preparação e parâmetros de processo adequados para satisfazer as necessidades dos doentes. O estudo da ativação da superfície, da indução e do mecanismo do Ti poroso pode melhorar a força de ligação entre o implante e o tecido ósseo, encurtar o período de integração óssea e aliviar a dor dos pacientes; a forma de reduzir o custo de fabrico do Ti poroso é também um problema urgente.