Biofuncionalización de circonio anodizado con potencial aplicación en el campo biomédico

Abstract

Debido a su biocompatibilidad y a que posee propiedades mecánicas adecuadas, el circonio (Zr) es uno de los metales que puede ser utilizado para la fabricación de implantes ortopédicos y dentales. El Zr y algunas de sus aleaciones presentan muy baja citotoxicidad, en algunos casos incluso menor a la del titanio, y tienen además la capacidad de promover la oseointegración. El buen comportamiento in vivo del Zr ha sido atribuido a la presencia de una capa de óxido superficial protector que se forma en contacto con aire o electrolitos oxigenados. Esta película superficial disminuye ampliamente la velocidad de corrosión del metal, minimizando la liberación de iones al medio biológico. Entre las diferentes estrategias para la modificación de superficies, el anodizado es un método económico que se ha utilizado ampliamente para obtener una capa de óxido uniforme con el objetivo de mejorar el desempeño de implantes en servicio. En trabajos anteriores, este tratamiento electroquímico ha sido realizado sobre Zr puro, demostrando que la anodización en ácido fosfórico modifica la topografía y aumenta el espesor de ZrO2 nativo junto con la incorporación de P en la estructura del óxido. Esto, a la vez que mejora resistencia a la corrosión, puede inducir la precipitación de compuestos de Ca-P sobre la superficie del ZrO2. Además, las pruebas in vitro e in vivo han demostrado que la superficie de ZrO2 creada por oxidación anódica a 60 V mejora la adhesión y proliferación celular y la integración del material al tejido óseo. En la última década, numerosos estudios se han centrado en controlar la interacción entre el tejido y el material implantado mediante la inmovilización de biomoléculas funcionales que simulan el ambiente de la matriz extracelular del tejido óseo con el fin de estimular la estabilización temprana de implantes no cementados. A pesar de las reconocidas ventajas de los implantes biofuncionalizados, esta estrategia todavía no había sido aplicada a implantes de circonio. En este trabajo se presenta el comportamiento de Zr anodizado modificado superficialmente con péptidos bioactivos (péptidos RGD) como potencial material de fabricación de implantes oseointegrables. Para tal fin, muestras de Zr 702 fueron anodizadas durante 60 min en solución H3PO4 1 mol.L-1 y a un potencial constante de 60 V respecto del electrodo auxiliar. El proceso de funcionalización se realizó utilizando silanos (APTES) como agentes de acoplamiento para formar un enlace químico entre el metal y las moléculas orgánicas. Las superficies de Zr anodizado (Zr60, control) y Zr funcionalizado (Zr60RGD) se caracterizaron en soluciones que simulan fluidos corporales (SBF). El estudio se llevó a cabo por medio de diferentes técnicas de caracterización, que incluyen espectroscopía Raman, espectroscopía fotoelectrónica de Rayos-X (XPS), microscopía electrónica de barrido (SEM), perfilometría mecánica y ángulo de contacto estático. Asimismo, se determinó el comportamiento electroquímico de ambas superficies (Zr60 y Zr60RGD) en SBF por medio de espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) y curvas de polarización. Para ello, se diseñó y construyó una celda electroquímica a fin de realizar los ensayos a temperatura controlada y con exposición de un área seleccionada. Por último, se evaluó la biocompatibilidad del material en un modelo celular in vitro. El análisis de la superficie Zr60 por espectroscopía Raman mostró que la estructura cristalina del óxido formado por anodización es predominantemente monoclínica. A su vez, se identificó un pico cercano a los 1000 cm-1 que es atribuible a la presencia de P en la estructura del óxido. El estudio por XPS mostró la presencia de péptidos en la superficie después de la funcionalización, aunque es probable que la deposición de la película orgánica no haya sido uniforme. El análisis mediante SEM mostró que la película anódica que se observa tanto en Zr60 como en Zr60RGD es compacta, cubre completamente la muestra y presenta una morfología irregular. En ninguna de las superficies se observaron diferencias apreciables luego de 48 h de inmersión en SBF. El análisis de los parámetros de rugosidad indicó que la superficie de Zr60RGD resulta ligeramente más rugosa en dirección a las líneas de pulido y menos anisotrópica respecto del control. Además, se estimó un aumento de la energía libre superficial luego del anclaje peptídico. Se realizaron pruebas electroquímicas en SBF para determinar el efecto de la funcionalización sobre la resistencia a la corrosión del Zr anodizado. Los resultados indicaron que tanto las superficies anodizadas como las funcionalizadas con péptidos RGD presentan una excelente resistencia a la corrosión en SBF después de 48 h de inmersión. Los resultados de EIS evidenciaron que ambas superficies se comportan como capacitores no ideales, característico de las películas pasivas formadas sobre metales de estas características como Ta, Hf, Nb y Ti. Finalmente, mediante SEM se observó mayor adhesión y extensión celular sobre las muestras de Zr60RGD en comparación con el material sin el recubrimiento peptídico. De este modo, los resultados obtenidos demuestran que el tratamiento de funcionalización con péptidos RGD no provoca ningún efecto perjudicial sobre el óxido anódico formado sobre el Zr durante la anodización y, a su vez, aumenta la biocompatibilidad in vitro del material a tiempos cortos. Estos resultados sugieren que la inmovilización de péptidos RGD sobre piezas de Zr anodizado representaría una estrategia óptima para promover e incrementar la bioactividad del material y con ello la oseointegración de implantes fabricados a base del mismo. Mail de los autores Valentina Mariscotti Cumino <valen.mariscotti@gmail.com>