Graças aos avanços da medicina, as pessoas vivem hoje mais tempo do que nunca. Compreensivelmente, também queremos permanecer saudáveis e móveis até à velhice. Os implantes e próteses podem substituir articulações e dentes desgastados, aliviar dores e melhorar significativamente a nossa qualidade de vida e os implantes médicos modernos são pequenas maravilhas da ciência dos biomateriais e da bioengenharia. No entanto, apesar da sua sofisticação, os implantes falham ocasionalmente, o que pode ter consequências graves para os doentes.
Porque é que estas falhas ocorrem e porque é que têm ocorrido com mais frequência nos últimos anos? A investigadora do Empa, os Laboratórios Federais Suíços para Ciência e Tecnologia de Materiais, Martina Cihova, pretende descobrir. Para isso, está a analisar de perto o comportamento dos implantes dentro do corpo.
Muitos implantes habitualmente utilizado, incluindo articulações artificiais, implantes dentários e pacemakers, são feitos de titânio, um metal de transição que é leve e forte, altamente durável dentro do corpo e particularmente bom a permitir que o tecido ósseo se fixe a ele. Estas propriedades favoráveis devem-se a uma fina camada de óxido que se forma naturalmente na superfície do titânio quando exposto ao ar. Em última análise, não é o titânio em si, mas sim esta camada superficial protetora que entra em contacto com o corpo. “Como esta camada passiva nativa tem menos de dez nanómetros de espessura, recebe frequentemente pouca atenção na tecnologia e na investigação médica”, refere Martina Cihova.
Além disso, alguns fabricantes modificam a camada de óxido, por exemplo, engrossando-a para codificar por cores os tipos e tamanhos de implantes. Outros tornam a superfície dos implantes mais áspera para incentivar a integração óssea ou gravam o número de série a laser para garantir a rastreabilidade. Graças aos processos baseados em laser, até a impressão 3D de implantes específicos para cada doente é agora possível. Todas estas são aplicações úteis, mas: “Qualquer tratamento pode alterar os óxidos de titânio na superfície do implante”, diz Cihova, “e há muito pouca investigação sobre a forma como estas alterações afetam a interação do implante com o corpo e a sua resistência à corrosão”.
Investigação de ponta
Com o seu projeto, a investigadora do Empa pretende preencher esta lacuna de conhecimento. O seu fascínio pela ciência dos materiais começou durante os seus estudos em bioengenharia, o que a inspirou a mudar de foco e a procurar um doutoramento em metalurgia para aprofundar o mundo dos materiais. Hoje, combina as duas áreas de especialização, concentrando-se no ponto em que o metal, ou óxidos metálicos, e a biologia se encontram: a interface entre os implantes e o corpo humano.
“Estas biointerfaces são incrivelmente complexas, mas também extremamente fascinantes”, afirma a jovem investigadora. “Quando pensamos em corrosão, geralmente pensamos em água do mar salgada, ar húmido, talvez uma bicicleta enferrujada – mas não no corpo humano.” No entanto, o nosso corpo pode ser um ambiente surpreendentemente agressivo para os materiais, especialmente quando ocorrem reações imunológicas. As células imunitárias libertam várias substâncias que podem, por exemplo, baixar o valor do pH e atacar o implante.
Então, qual o efeito do ambiente corporal sobre materiais que consideramos estáveis? Esta é a questão central da investigação em biocorrosão.
Estes processos são muito complexos tanto a nível (electro)químico como biológico. Além disso, nem todo o óxido de titânio é igual. Embora a sua composição química se mantenha a mesma, o óxido de titânio pode existir sob três formas cristalinas diferentes ou num estado estrutural amorfo, “indefinido”. Cada uma destas formas possui diferentes propriedades eletrónicas e eletroquímicas, que podem também afetar a forma como o material interage com o corpo.
Uma abordagem gradual à complexidade
O tratamento superficial dos implantes pode alterar a estrutura cristalina destes óxidos, quer em todo o implante, quer apenas em áreas selecionadas. Para compreender como esta heterogeneidade local afecta a já complexa biointerface, Cihova e a sua equipa estão a adoptar uma abordagem sistemática passo a passo.
“As questões complexas que estamos a abordar são inerentemente interdisciplinares, e lidar com elas requer perícia em diversas áreas.”
Em cada etapa do estudo, as interfaces são investigadas minuciosamente através de métodos eletroquímicos combinados com microscopia eletrónica de alta resolução e microscopia de força atómica. “Ver é compreender – mesmo que isso signifique ampliar escalas de comprimento muito mais pequenas do que uma célula humana”, diz Cihova. “É aí que os detalhes cruciais podem ser frequentemente descobertos.”
A investigadora do Empa espera que as descobertas dos próximos anos levem a implantes mais seguros e fiáveis. E também “que aprendamos mais sobre como aproveitar eficazmente a notável variedade de propriedades dos óxidos para aplicações biomédicas específicas”.
Cihova está convencida de que este campo de investigação se tornará ainda mais importante no futuro: “O comportamento dos óxidos metálicos em biointerfaces é também fundamental para o seu desempenho nos campos emergentes da nanomedicina e da tecnologia de sensores implantáveis.”
