Implantes de titânio são utilizados em diferentes procedimentos ortopédicos devido, entre outras características, à sua rigidez mais próxima à do tecido ósseo do que a de materiais convencionais, como o aço. Essa propriedade pode favorecer o desempenho das próteses no organismo. Um dos problemas associados a esses dispositivos, porém, ocorre ainda antes de sua plena integração ao corpo: a contaminação bacteriana durante ou após a cirurgia pode levar à formação de biofilmes (camadas viscosas de bactérias e fungos) sobre a superfície do implante e comprometer o procedimento, podendo levar à rejeição dos implantes.

Uma tecnologia desenvolvida por pesquisadores da Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM) da Unicamp busca enfrentar esse problema modificando apenas a superfície de ligas de titânio utilizadas em implantes ortopédicos e odontológicos. A proposta combina cobre e prata, metais conhecidos por sua atividade antimicrobiana, a uma etapa de processamento a laser. A estratégia procura acrescentar uma função à superfície sem alterar as propriedades mecânicas do material que compõem o interior da prótese. O resultado foi protegido por meio de um depósito de pedido e patente realizado com estratégia da Agência de Inovação Inova Unicamp.

A pesquisa surgiu da trajetória de Kaio Niitsu Campo, docente na FEM e um dos inventores responsáveis pelo desenvolvimento. “As ligas de titânio são bastante notórias na aplicação biomédica, como implantes ortopédicos”, explica. Segundo ele, uma das razões para o uso do material é justamente seu módulo de elasticidade, ou seja, sua rigidez, mais próxima à do osso.

A incorporação de cobre ou prata diretamente à liga, entretanto, poderia modificar suas propriedades mecânicas. A alternativa encontrada pela equipe foi concentrar esses elementos na camada mais externa do implante, região que fica em contato com o ambiente biológico. “A proposta foi modificar apenas a superfície da liga, justamente na região de interesse para dificultar a formação de biofilmes, preservando, ao mesmo tempo, as propriedades e a integridade do material em seu interior”, relata Campo.

Laser promove integração dos metais à liga no implante

A fabricação da superfície modificada envolve três etapas. Primeiro, uma fina camada de cobre é depositada sobre o titânio por eletrodeposição, processo que utiliza corrente elétrica para formar um revestimento metálico. Em seguida, parte do cobre é substituída por prata por meio de uma reação de substituição galvânica.

Nessa etapa, a amostra é colocada em uma solução de nitrato de prata. Como a prata é mais nobre que o cobre, ocorre uma reação em que o cobre da superfície é corroído e a prata se deposita em seu lugar. O resultado são estruturas microscópicas de prata com formato semelhante ao de pequenas árvores, chamadas nanodendritas.

A prata, no entanto, não adere de maneira suficientemente estável à superfície nessa etapa. É aí que entra o processamento a laser. O feixe funde uma fina camada do material, promovendo a incorporação do cobre e da prata ao próprio titânio.

A diferença é importante porque, em vez de formar apenas um revestimento sobre o implante, o processo promove uma ligação metalúrgica entre os elementos adicionados e o substrato. “Com a aplicação do laser, o cobre e a prata são incorporados ao material, estabelecendo uma integração metalúrgica com o substrato.
Dessa forma, reduzimos o risco de delaminação, ou seja, de desprendimento de uma camada superficial que tenha sido apenas depositada sobre o implante”, explica o docente.

Outro aspecto estudado pela equipe é a velocidade da etapa a laser. A fusão da superfície ocorre em poucos segundos, característica que pode favorecer a produtividade caso o processo venha a ser levado à escala industrial.

A rota também utiliza precursores relativamente baratos. Na etapa de deposição, são empregados sulfato de cobre e nitrato de prata. Campo ressalta que o laser representa o componente de maior custo, mas considera que o investimento é compatível com aplicações industriais, uma vez que equipamentos desse tipo já são empregados em processos de fabricação de peças metálicas.

Validação biológica dos implantes requer equipe multidisciplinar

Até o momento, o trabalho concentrou-se principalmente no desenvolvimento e na otimização da rota de fabricação da superfície modificada. A etapa seguinte é verificar se a combinação de cobre e prata incorporada ao titânio apresenta, de fato, o efeito antibacteriano esperado em condições biológicas.

“Apesar do potencial da tecnologia, ainda existem desafios importantes a serem superados”, afirma Campo. Entre eles estão a comprovação experimental da atividade antibacteriana e a identificação das condições que proporcionam o melhor desempenho biológico.

A equipe também investiga os mecanismos envolvidos na eventual ação contra as bactérias. Uma das possibilidades é a liberação de íons dos metais; outra envolve mecanismos de morte por contato direto com a superfície modificada. O processamento a laser, por sua vez, precisa ser avaliado quanto aos efeitos provocados pela rápida solidificação do material, que pode levar, por exemplo, à formação de trincas.

Os experimentos reúnem pesquisadores de diferentes áreas da Unicamp. A etapa de processamento a laser foi realizada no Laboratório de Metalurgia Física, da FEM, em colaboração com o grupo do professor Rubens Caram. Os testes biológicos são conduzidos em parceria com a professora Laís Pellizzer, da Faculdade de Ciências Aplicadas (FCA) da Universidade.

O foco da pesquisa é a aplicação biomédica, especialmente em implantes ortopédicos e odontológicos. No entanto, a equipe também realizou testes de corrosão, nos quais a superfície modificada apresentou desempenho ligeiramente superior ao do substrato sem tratamento. O resultado sugere que a estratégia pode ter interesse em outras situações nas quais a resistência à corrosão do titânio seja uma propriedade relevante.

A técnica de modificação superficial a laser poderia ainda ser adaptada para incorporar outros elementos e conferir diferentes características ao material. Entre as aplicações mencionadas pelo inventor estão os setores químico, aeronáutico e automobilístico. Essas possibilidades, entretanto, ainda não foram investigadas de forma aprofundada e necessitam de pesquisas complementares.

Tecnologia de novos implantes pode avançar com ajuda de parceiros

Para avançar às próximas etapas de desenvolvimento e avaliar seu desempenho em condições mais próximas das encontradas no mercado, a tecnologia precisa de parceiros interessados em sua aplicação. O licenciamento é um dos caminhos para que empresas possam acessar a solução, investir em seu desenvolvimento complementar e contribuir para etapas como novos testes, adequações e validações necessárias antes de uma eventual aplicação comercial.

Na Unicamp, os processos de transferência de tecnologias desenvolvidas na Universidade são conduzidos pela Inova Unicamp, Agência de Inovação responsável por aproximar a propriedade intelectual protegida da Universidade de empresas e outras instituições interessadas em transformá-las em soluções aplicadas e inovação.

Empresas e instituições interessadas em conhecer mais sobre a tecnologia de modificação superficial de ligas de titânio podem entrar em contato com a Inova Unicamp por meio do formulário de conexão com empresas disponível no site da Agência. A partir desse contato, é possível obter mais informações sobre a tecnologia e avaliar oportunidades de parceria e licenciamento.

Por Isabele Scavassa – Inova Unicamp