Caratterizzazione elettrochimica e biologica del Ti

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2312 (2023) Citare questo articolo

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Le prestazioni delle attuali leghe di titanio biomedico sono limitate da condizioni infiammatorie e gravi dopo l’impianto. In questo studio, una nuova lega Ti–Nb–Zr–Si (TNZS) è stata sviluppata e confrontata con il titanio commercialmente puro e con la lega Ti–6Al–4V. I parametri elettrochimici dei campioni sono stati monitorati durante l'immersione di 1 ora e 12 ore in soluzione salina tamponata con fosfato (PBS) come normale, PBS/perossido di idrogeno (H2O2) come agente infiammatorio e PBS/H2O2/albumina/lattato come agente infiammatorio grave. I risultati hanno mostrato un effetto dell’H2O2 in condizioni infiammatorie e il comportamento sinergico di H2O2, albumina e lattato in condizioni infiammatorie gravi nel ridurre la resistenza alla corrosione dei biomateriali in titanio. I test elettrochimici hanno rivelato una resistenza alla corrosione superiore del TNZS in tutte le condizioni a causa della presenza di fasi silicicide. Il TNZS sviluppato è stato testato per successive indagini su colture cellulari per comprenderne la natura di biocompatibilità. Ha mostrato interazioni cellulari-materiali favorevoli in vitro rispetto a Ti–6Al–4V. I risultati suggeriscono che la lega TNZS potrebbe essere un biomateriale competitivo per applicazioni ortopediche.

La domanda di protesi artificiali è in crescita poiché nei vari Paesi cresce la popolazione anziana1. Circa l'80% dei dispositivi implantari commerciali sono realizzati con biomateriali metallici per correggere le deformità del sistema scheletrico2,3. Il titanio commercialmente puro (CP-Ti, Grado 2, UNS R50400) è convenzionalmente utilizzato come biomateriale metallico nei dispositivi dentali, nelle protesi ortopediche articolari e negli stent cardiovascolari grazie alla sua adeguata resistenza alla corrosione e alla soddisfacente biocompatibilità4. CP-Ti non ha tutte le proprietà desiderabili per gli impianti biomedici, quindi anche la lega Ti–6Al–4V (nota anche come lega di grado 5, UNS R56400) con resistenza maggiore è quella più ampiamente utilizzata5. Tuttavia, vi è una crescente preoccupazione per la corrosione e la corrispondente eluizione di alluminio e vanadio che hanno effetti tossici ed collaterali sulle applicazioni a lungo termine6,7 e si stanno sviluppando nuove leghe di titanio migliorate con modulo elastico inferiore, resistenza più elevata e prestazioni biologiche superiori7, 8.

Una delle leghe sviluppate senza alluminio e vanadio si basa sul sistema Ti–Nb–Zr (UNS R58130 secondo ASTM F1713) ha elementi Nb e Zr più biocompatibili e un modulo di Young inferiore in un intervallo di 60–80 GPa9,10,11 . La combinazione di Nb e Zr in questa lega ha prodotto una struttura della fase quasi β-Ti più resistente alla corrosione rispetto alle fasi α-Ti e β-Ti ma non ha raggiunto il livello desiderato di resistenza alla biocorrosione senza compromettere la sua reattività alle cellule12. Tra gli altri possibili additivi, il silicio è stato considerato un elemento vitale nel corpo umano per le reazioni biologiche, fornendo una forza trainante per la crescita e lo sviluppo di nuove ossa e tessuti connettivi13,14.

Dopo l'impianto di un biomateriale, il sistema immunitario del corpo viene attivato per proteggere l'ospite da infezioni e danni ai tessuti, ulteriormente complicato da una reazione da corpo estraneo15,16 e dalla deposizione superficiale di varie biomolecole e proteine ​​come l'albumina17. I leucociti aumentano il loro consumo di ossigeno utilizzando l'esplosione respiratoria per produrre specie reattive dell'ossigeno (ROS), acido lattico, incluso il perossido di idrogeno (H2O2) e i suoi derivati, e acido ipocloroso (HOCl) nel mezzo extracellulare16,18,19,20. Per il tessuto osseo, gli osteoclasti esprimono anche HCl che insieme crea un ambiente acido ossidativo con diminuzione del pH da neutro a 5 e inferiore durante l'infiammazione18. Nella grave condizione infiammatoria, neutrofili, macrofagi e microrganismi possono creare un mezzo molto ossidativo e acido con pH ⁓ 2–3 intorno all'impianto, sufficiente anche a dissolvere materiali molto resistenti come l'oro21. Il film protettivo passivo sul titanio in queste condizioni inizia a subire un degrado, accelerando la velocità di corrosione e provocando un irruvidimento superficiale e la formazione di un composto TiOOH poroso intensamente idratato22,23,24,25. Studi recenti hanno dimostrato che la combinazione di albumina e H2O2 ha accelerato la velocità di corrosione di CP-Ti e Ti–6Al–4V26,27 e la presenza di acido lattico e H2O2 ha ridotto considerevolmente la resistenza alla corrosione28,29. Come risultato del complicato ambiente in vivo, la corrosione degli impianti in Ti può essere notevolmente accelerata, con conseguente durata dell’impianto significativamente più breve e rischio più elevato di fallimenti30,31. Pertanto, sono necessari additivi leganti adeguati alle leghe di titanio ad alte prestazioni per prevenire fallimenti dell’impianto in condizioni infiammatorie. Il silicio è stato introdotto in alcune leghe a base di Ti32,33,34, ma non è stato ancora sufficientemente analizzato quando aggiunto al sistema Ti–Nb–Zr. Quindi, c’è interesse a valutare come lega Ti-Nb-Zr-Si un potenziale materiale per applicazioni ortopediche.