A ciência dos materiais e a medicina: porque é que os implantes falham
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O que acontece aos implantes de titânio no corpo? Porque é que, por vezes, são rejeitados ou até se partem? A investigadora Martina Cihova, da Empa, procura respostas para estas questões na interface entre o implante e o corpo, entre a ciência dos materiais e a medicina. Recebeu recentemente uma "Bolsa Ambizione" da Fundação Nacional Suíça para a Ciência (SNSF) para o seu projeto de investigação.
A investigadora da Empa, Martina Cihova, está a investigar a forma como o corpo pode atacar a superfície dos implantes de titânio.
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A imagem do microscópio de força atómica mostra áreas claramente reconhecíveis com diferentes potenciais de superfície, que foram criadas por alterações induzidas por laser na estrutura do óxido de titânio.
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Graças aos avanços da medicina, estamos a viver cada vez mais tempo. É compreensível que queiramos manter a saúde e a mobilidade até à velhice. Os implantes e as próteses substituem as articulações e os dentes "gastos", eliminam as dores e melhoram a qualidade de vida. Os implantes médicos modernos são pequenas maravilhas do biomaterial e da bioengenharia ao mesmo tempo. No entanto, os implantes falham ocasionalmente, o que pode ter consequências graves para os pacientes.
Porque é que estas falhas ocorrem - e porque é que aumentaram em vez de diminuírem nos últimos anos? A investigadora da Empa Martina Cihova, do laboratório "Joining Technology and Corrosion", quer encontrar respostas para estas questões. Para tal, está a analisar de perto o comportamento dos implantes no corpo - ou, para ser mais precisa, ao microscópio. A cientista recebeu uma "Bolsa Ambizione" de quatro anos da Fundação Nacional de Ciências da Suíça para o seu projeto de investigação.
Muitos implantes - incluindo articulações artificiais, implantes dentários e pacemakers - são feitos de titânio. Este metal de transição é leve e estável, é muito durável no corpo e permite que o osso cresça particularmente bem. Estas propriedades devem-se a uma fina camada de óxido que se forma na superfície do titânio quando este entra em contacto com o ar. Em última análise, não é o titânio em si, mas a camada protetora na superfície dos implantes que entra em contacto com o corpo. "Como esta camada passiva natural tem menos de dez nanómetros de espessura, muitas vezes não recebe a devida atenção na tecnologia médica e na investigação", afirma Martina Cihova.
Além disso, alguns fabricantes modificam a camada de óxido, por exemplo, engrossando-a para dar um código de cores aos diferentes tamanhos ou modelos de implantes e, assim, facilitar o trabalho dos médicos. Outros tornam a superfície dos implantes mais rugosa para que o osso possa crescer melhor - ou gravam o número de série com um laser. Atualmente, a impressão 3D de implantes específicos para cada paciente também é possível utilizando processos a laser. Todas estas aplicações são sensatas, mas: "Qualquer tratamento de superfície pode alterar os óxidos de titânio na superfície", diz Cihova, "e muito pouca investigação tem sido feita sobre o que isto significa para a interação do implante com o corpo e para a sua resistência à corrosão".
Investigação na fronteira
A investigadora da Empa quer colmatar esta lacuna de conhecimento com o seu projeto. Mesmo quando era estudante de bioengenharia, Cihova estava entusiasmada com a ciência dos materiais. Por isso, enveredou por um novo caminho para o seu doutoramento - a metalurgia - para aprofundar ainda mais o seu interesse pelos materiais. Atualmente, combina os seus conhecimentos nas duas áreas e concentra-os precisamente no ponto em que o metal, ou os óxidos metálicos, e a biologia se encontram: a interface entre o implante e o corpo humano.
"Estas biointerfaces são altamente complexas, mas também extremamente interessantes", afirma a jovem investigadora. "Quando se pensa em corrosão, pensa-se na água salgada do mar, no ar húmido, talvez numa bicicleta ferrugenta - mas não no corpo humano". No entanto, o corpo humano pode ser um ambiente surpreendentemente agressivo, especialmente quando ocorrem reacções imunitárias. As células imunitárias libertam várias substâncias que podem, entre outras coisas, baixar o valor do pH e atacar o implante. Então, o que é que o corpo faz com materiais que consideramos estáveis? É precisamente aqui que entra a investigação sobre a biocorrosão.
Estes processos são muito complexos a nível (electro)químico e biológico. Para além disso, nem todo o óxido de titânio é igual. Pode assumir três formas cristalinas diferentes - todas com a mesma composição química, TiO2 - ou ser amorfo, estruturalmente "indefinido", por assim dizer. Todas estas formas diferem nas suas propriedades electrónicas e electroquímicas e, por conseguinte, potencialmente também nas suas interações com o organismo.
Aumentar a complexidade de forma controlada
O tratamento da superfície dos implantes pode alterar as formas cristalinas dos óxidos, quer em todo o implante, quer apenas seletivamente. É necessária uma abordagem estruturada para compreender os efeitos desta heterogeneidade local, em particular na já complexa biointerface. Em primeiro lugar, Cihova e a sua equipa, em colaboração com os especialistas da Empa para o processamento de metais por laser em Thun, produzem substratos de amostra com camadas de óxido de titânio estruturadas de forma diferente, que variam sistematicamente na sua heterogeneidade. Estes substratos são depois sucessivamente expostos a fluidos corporais cada vez mais complexos, a fim de investigar as relações fundamentais entre a estrutura, as propriedades e a reatividade dos óxidos.
"Começamos com fluidos fisiológicos simulados que contêm apenas água e iões", explica Cihova. O passo seguinte será adicionar proteínas, como o fibrinogénio, que está envolvido na resposta imunitária e na cicatrização de feridas. Finalmente, os investigadores planeiam investigar o comportamento da biointerface em contacto com células macrófagas vivas - a "polícia do corpo". Para o efeito, estão a colaborar com investigadores da Empa em St. Gallen. "Estou muito satisfeita por termos conseguido envolver neste projeto colegas dos três locais da Empa", afirma Cihova. "Isto permite-nos abordar questões tão complexas de forma interdisciplinar."
Em cada uma destas etapas, as interfaces são examinadas "a par e passo", utilizando métodos electroquímicos combinados com microscopia eletrónica e de força atómica de alta resolução. "Ver é compreender - mesmo que isso signifique olhar para uma escala de tamanho muito mais pequena do que uma célula humana", afirma Cihova. "É aqui que muitas vezes se descobrem pormenores cruciais."
A investigadora da Empa espera que as descobertas dos próximos anos conduzam a implantes mais seguros e mais estáveis. E também "que aprendamos mais sobre como a fascinante gama de propriedades do óxido pode ser utilizada especificamente na biomedicina". Depois do seu projeto "Ambizione" em 2028, Cihova quer também alargar os novos métodos a outros materiais médicos. Cihova está convencida de que este domínio de investigação se tornará ainda mais importante no futuro: "O comportamento dos óxidos metálicos nas biointerfaces é também fundamental para o seu desempenho nos domínios emergentes da nanomedicina e da tecnologia de sensores implantáveis".
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Alemão pode ser encontrado aqui.
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