Titanio

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 470 (2023) Citare questo articolo

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Lo sviluppo di nuovi biomateriali con eccezionali proprietà meccaniche ed elevata biocompatibilità ha rappresentato una sfida significativa negli ultimi decenni. I metalli nanocristallini hanno offerto nuove opportunità nella produzione di biomateriali ad alta resistenza, ma la biocompatibilità di questi nanometalli deve essere migliorata. In questo studio, introduciamo i nanocompositi metallo-proteine ​​come biomateriali ad alta resistenza con biocompatibilità superiore. Piccole proporzioni di albumina sierica bovina (2 e 5 vol%), una proteina abbondante nel corpo dei mammiferi, vengono aggiunte al titanio e due nanocompositi vengono sintetizzati utilizzando un severo processo di deformazione plastica di torsione ad alta pressione. Questi nuovi biomateriali mostrano non solo un’elevata durezza simile al titanio puro nanocristallino, ma mostrano anche una migliore biocompatibilità (inclusa l’attività metabolica cellulare, i parametri del ciclo cellulare e il profilo di frammentazione del DNA) rispetto al nanotitanio. Questi risultati introducono un percorso per progettare nuovi compositi biocompatibili impiegando composti provenienti dal corpo umano.

Negli ultimi anni i biomateriali stanno ricevendo notevole attenzione per diverse applicazioni. Lo sviluppo di biomateriali metallici per impianti è particolarmente una questione critica sia dal punto di vista della ricerca che da quello tecnico a causa del contatto diretto degli impianti con i tessuti del corpo umano, le ossa e i fluidi sotto carico. Il corpo umano è un ambiente molto corrosivo e complesso che provoca il verificarsi di diversi tipi di corrosione quando un materiale artificiale portante viene impiantato nel corpo umano1,2,3. I fluidi corporei contengono vari composti organici e una notevole varietà di proteine. Nel corpo umano sono disponibili quasi 105 proteine ​​diverse, ciascuna con un ruolo specifico. Tra queste proteine, l'albumina è risultata essere la proteina più abbondante nel plasma e nel liquido sinoviale4 e, quindi, presente in qualsiasi tessuto umano in cui potrebbe essere impiantato un materiale artificiale.

Una delle fasi iniziali che influenza in modo significativo la biocompatibilità è l'adsorbimento istantaneo delle proteine ​​dai fluidi biologici sulle superfici dei biomateriali1,2. Inoltre, l'adsorbimento delle proteine ​​è considerato il primo e più cruciale stadio che consente l'adesione delle cellule sulla superficie del biomateriale e quindi durante questa fase avvengono fenomeni clinici rilevanti come l'osteointegrazione degli impianti ortopedici1,2,3,4. L'albumina è stata identificata come il legante metallico più forte tra le proteine ​​del sangue umano, pertanto l'adsorbimento dell'albumina sulle superfici dell'impianto svolge un ruolo chiave nel determinare funzionalità superficiali come biocompatibilità, corrosione e tribologia5. Le proteine ​​creano uno spesso strato sulla superficie del materiale e le cellule percepiscono le superfici estranee attraverso questo strato e iniziano a rispondere. Alcuni rapporti sugli impianti hanno rivelato chiaramente la presenza di strati contenenti proteine ​​sulla superficie1,6, indicando l'importanza dell'interazione delle proteine ​​con le leghe biomediche a livello cellulare.

Il titanio e le sue leghe sono stati ampiamente utilizzati come potenziali biomateriali in molti impianti diversi grazie al loro basso modulo elastico, all'elevata resistenza alla fatica, all'eccellente resistenza alla corrosione, alla migliore biocompatibilità rispetto ad altri biomateriali come gli acciai inossidabili e le leghe Co-Cr7,8 e al basso densità di 4,5 g/cm3 che è circa la metà degli acciai inossidabili e delle leghe Co-Cr9. Tuttavia, lo svantaggio principale del titanio e delle sue leghe è la minore resistenza e durezza rispetto agli acciai inossidabili e alle leghe Co-Cr7,8,9. Studi recenti hanno dimostrato che la nanostrutturazione del titanio è una soluzione efficace per migliorarne la resistenza e la durezza senza deteriorarne la biocompatibilità10,11.

Il successo dell'utilizzo degli impianti in titanio dipende non solo dalle proprietà meccaniche come il modulo elastico e la durezza, ma anche dall'osteointegrazione nell'interfaccia osso-impianto12. Tuttavia, a causa della non bioattività dei materiali a base di Ti, non possono legarsi direttamente all'osso e promuovere la formazione di nuovo osso sulla loro superficie nelle prime fasi dell'impianto13,14. Per migliorare l'osteointegrazione dei materiali a base di Ti, sono stati impiegati due metodi principali basati su modifiche superficiali: (1) il controllo della topografia superficiale con cambiamenti fisici e/o chimici15,16; (2) l'immobilizzazione di molecole bioattive sulla superficie dell'impianto17,18. Il secondo approccio, in cui vengono utilizzati rivestimenti ricchi di proteine ​​come collagene19 e albumina sierica bovina (BSA)5,20,21,22, può migliorare la biocompatibilità delle leghe a base di Ti.