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Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 11874 (2022) Citar este artículo

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El Ti y sus aleaciones son los dispositivos de biomateriales metálicos más utilizados debido a su excelente combinación de propiedades químicas y mecánicas, biocompatibilidad y no toxicidad para el cuerpo humano. Sin embargo, las aleaciones disponibles actualmente todavía tienen varios problemas, como la citotoxicidad del Al y el V y los altos valores del módulo elástico, en comparación con el hueso humano. Las aleaciones de tipo β, en comparación con las aleaciones de Ti de tipo α y tipo (α + β), tienen un módulo de elasticidad más bajo y una mayor resistencia mecánica. Luego, se están desarrollando nuevas aleaciones biomédicas de tipo β con elementos de aleación no citotóxicos, como Mo y Nb. Por lo tanto, las aleaciones del sistema Ti-5Mo-xNb se prepararon mediante fusión con arco de argón. La composición química se evaluó por análisis EDS y las medidas de densidad se realizaron por el método de Arquímedes. La estructura y microestructura de las aleaciones se obtuvieron por difracción de rayos X y microscopía óptica y electrónica de barrido. Se analizaron los valores de microdureza y se realizaron pruebas de MTT y cristal violeta para evaluar su citotoxicidad. A medida que aumenta la concentración de Nb, también crece la presencia de la fase β-Ti, presentando la aleación Ti-5Mo-30Nb una única fase β-Ti. Por el contrario, la microdureza de las aleaciones disminuye con la adición de Nb, excepto la aleación Ti-5Mo-10Nb, que tiene su microdureza aumentada probablemente debido a la precipitación de la fase ω. Las pruebas biológicas in vitro mostraron que las aleaciones no son citotóxicas.

Hoy en día, el número de personas mayores está aumentando en todo el mundo. En consecuencia, la demanda de materiales para reemplazar tejidos duros, como implantes de cadera y rodilla, también aumenta para brindar una mejor calidad de vida y tratamiento clínico para enfermedades relacionadas con la edad1,2. Debido a sus excelentes propiedades, tales como alta resistencia mecánica, buena resistencia a la corrosión, bajo módulo elástico y excelente biocompatibilidad, las aleaciones de Ti son ampliamente utilizadas en aplicaciones biomédicas3. Las aleaciones CP-Ti y Ti-6Al-4 V se utilizan ampliamente como materiales para implantes4. Sin embargo, estudios han demostrado que los iones V son citotóxicos y pueden causar reacciones adversas en el organismo, mientras que los iones Al pueden inducir trastornos neurológicos, como la enfermedad de Alzheimer2,5. Por ello, se están desarrollando nuevas aleaciones sin Al y V, manteniendo las propiedades ya conocidas de las aleaciones de Ti. Para superar este problema, se utilizan elementos estabilizadores β no tóxicos y no alergénicos, como Ta, Zn, Sn, Nb y Mo. Estos elementos producen aleaciones de Ti con alta resistencia mecánica y bajo módulo elástico6.

Aunque algunos estudios indican que la liberación de iones de Mo puede ser tóxico7,8, otros muestran que las aleaciones de Ti que contienen Mo presentan una excelente biocompatibilidad9, como Ti-15Mo10, Ti-15Mo-5Mn11 y Ti-12Mo-6Zr-2Fe (TMZF)12 . Otros estudios han demostrado que las aleaciones de Ti que contienen Mo presentan una buena compatibilidad mecánica13, como Ti-Mo14 y Ti-Mo-Ta15. Además, Karthega et al.16, Oliveira et al.17 y Zhou et al.18 demostraron que las aleaciones de Ti-Mo tienen una excelente resistencia a la corrosión frente a fluidos corporales simulados13. Otros estudios han demostrado que las aleaciones de Ti-Mo-Nb presentan buenas propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión19,20,21 y adecuada biocompatibilidad in vitro22. Mo es también un elemento fuertemente β-estabilizador. Por lo tanto, altas concentraciones pueden conducir a un aumento de la energía de enlace atómico, lo que tiende a aumentar el módulo de elasticidad de las aleaciones23. Así, debido al bajo número de estudios con aleaciones ternarias de Ti-Mo-Nb con baja concentración de Mo, variando los contenidos de Nb de bajos a altos, y con el objetivo de evitar un aumento en el módulo de elasticidad de las aleaciones y la posible citotoxicidad de Mo, se optó por trabajar con sólo un 5% en peso de elemento Mo en las aleaciones.

Además, Brasil tiene alrededor del 90% de los recursos de niobio del mundo, lo que representa alrededor del 95% de la producción mundial. De esta manera, desde una perspectiva económica y estratégica, es crucial invertir en investigaciones relacionadas con el procesamiento y desarrollo de aleaciones que contienen niobio, ya que Brasil lidera los recursos mundiales de este metal24,25.

En este estudio, se preparó un nuevo sistema de aleaciones Ti-Mo-xNb (x = 0, 10, 20 y 30% en peso) mediante fusión con arco de argón para evaluar el efecto del Nb en las propiedades mecánicas de las aleaciones con una baja cantidad de Mes.

La Tabla 1 presenta la composición química obtenida por EDS. Es posible observar que la composición química se mantuvo cercana a los valores nominales. La Figura 1 muestra el espectro EDS para cada lingote as-cast estudiado, donde solo se observan los picos de los elementos de aleación (Ti, Mo y Nb), lo que indica una buena calidad de las muestras producidas. La figura 2 muestra los mapas elementales EDS de cada una de las aleaciones producidas después de la fusión. Se observa que los elementos están bien distribuidos. No se observaron elementos aglomerados y segregados, mostrando la excelente homogeneidad de los lingotes. Para una mejor visualización, los elementos del sistema estudiado fueron etiquetados con diferentes colores, Ti como rojo, Mo verde y Nb azul.

Análisis químico cualitativo de aleaciones del sistema Ti-5Mo-Nb as-cast por EDS.

Mapeo químico de los elementos Ti (rojo), Mo (verde) y Nb (azul) de las aleaciones del sistema Ti-5Mo-Nb as-cast por EDS.

La Figura 3 muestra la comparación entre la densidad medida y la respectiva densidad teórica calculada de las aleaciones. La densidad teórica y experimental se mantuvo cercana, evidencia de una adecuada estequiometría de las aleaciones producidas.

Comparación entre las densidades teórica y experimental de las aleaciones del sistema Ti-5Mo-Nb.

Se observa un aumento de la densidad a medida que aumenta el contenido de Nb de las aleaciones, que van desde 4,66 g/cm3, para la aleación Ti-5Mo, hasta 5,48 g/cm3 para la aleación Ti-5Mo-30Nb. Este aumento se debió a que la densidad de los elementos de aleación Mo (10,22 g/cm3) y Nb (8,58 g/cm3) fue superior a la densidad del Ti (4,54 g/cm3)26.

Los valores de densidad de las aleaciones estudiadas se mantuvieron bajos si se comparan con otros biomateriales metálicos, como el AISI 316L (7,93 g/cm3) y las aleaciones de CoCr (9,2 g/cm3), y los valores son relativamente cercanos al CP-Ti (4,5 g /cm3) y aleación Ti-6Al-4 V (4,42 g/cm3)27.

Los patrones de rayos X se muestran en la Fig. 4. La aleación de Ti-5Mo as-cast está compuesta principalmente por la fase α' (63%), presentando también un 22% de fase α" y una pequeña cantidad de fase β ( 15 %) Al adicionar 10 % en peso de Nb a la aleación, se mantiene la presencia de las tres fases de Ti, pero la cantidad de fases α” y β aumentó al 50 % y 38 %, respectivamente, con una disminución al 12% de la fase α'. La aleación Ti-5Mo-20Nb predicha como una aleación β metaestable mostró picos de la fase ortorrómbica α" (40%) y la fase β (60%). Finalmente, la aleación Ti-5Mo-30Nb solo presentó picos de la fase β Así, se observó que, con la adición de Nb, se produce un aumento del contenido de fase β en la microestructura de las aleaciones del sistema Ti-5Mo-xNb, y con 30% en peso de Nb, es posible obtener un aleación con predominio de la fase β después de la fusión.

Difractogramas de rayos X de aleaciones del sistema Ti-5Mo-Nb as-cast.

Aunque existen representaciones más simples de las aleaciones Ti-Mo28,29 y Ti-Nb30,31, el diagrama propuesto por Zhang et al30,31 presenta la amplia gama de estados transitorios y transformaciones de fase debido al amplio campo α + β. Para bajas temperaturas, se muestra la formación de la fase ω para todas las concentraciones de Nb. La formación de fases de martensita α' y α" se agregó al diagrama, respectivamente, para concentraciones por debajo y por encima del 14 % en peso de Nb30. Este cambio de fase de α' a α" ocurrió con las aleaciones estudiadas entre 10 y 20 % en peso. de Nb.

Las altas velocidades de enfriamiento forman la fase de martensita α' a partir del campo de la fase β. Su microestructura, caracterizada por una morfología acicular tosca, proviene de la falta de crecimiento difusional de la fase β a la α32. La fase martensítica α", también caracterizada por una morfología acicular pero más delgada que la fase α', puede generarse por la aplicación de deformación mecánica externa o altas velocidades de enfriamiento y se forma cuando la concentración de elementos β-estabilizadores es mayor que en el Fase α' 32. La fase ω puede formarse por deformación mecánica, enfriamiento rápido o tratamiento de envejecimiento térmico 32,33.

Las imágenes de OM y SEM se presentan en la Fig. 5 y corroboran con los resultados de rayos X. En la microestructura de las aleaciones Ti-5Mo y Ti-5Mo-10Nb se identificaron agujas aciculares finas y gruesas, propias de las fases α” y α', respectivamente, además de límites de grano característicos de la fase β. Las aleaciones 5Mo-20Nb y Ti-5Mo-30Nb solo tienen límites de grano equiaxiales característicos de la fase β34,35.

OM, con aumento de 1000 × (izquierda) y SEM, con aumento de 4000 × (derecha) de aleaciones de Ti-5Mo (a), Ti-5Mo-10Nb (b), Ti-5Mo-20Nb (c) y Aleaciones Ti-5Mo-30Nb(d).

Los valores de microdureza Vickers de las aleaciones se muestran en la Fig. 6. Todas las aleaciones tienen una microdureza mayor que el CP-Ti (148 HV), como se muestra en la línea de referencia roja. Con la adición de un 10 % de Nb, el valor de la microdureza aumenta de 300 a 515 HV. Xu et al.19 estudiaron las aleaciones del sistema Ti-15Mo-xNb y también obtuvieron un aumento en el valor de la microdureza de la aleación con 10% de Nb, lo que puede ser causado por la formación de la fase ω, que hace que el material sea más duro y quebradizo36 ,37,38. Con la adición de 20% y 30% de Nb, se produce una reducción de los valores de microdureza a 330 HV y 200 HV, respectivamente. Esta reducción puede explicarse por el aumento de la fase β en estas aleaciones, que tiende a disminuir los valores de dureza de las aleaciones ya que el aumento de elementos β-estabilizadores reduce la fuerza de enlace químico, facilitando la deformación plástica39,40,41. La reducción de la microdureza de las aleaciones es importante porque facilita su conformación mecánica39. La microdureza de la aleación Ti-5Mo se mantuvo cercana a la de AISI 316L (289 HV) y Ti-6Al-4 V (304 HV), mientras que la aleación Ti-5Mo-30Nb se mantuvo muy por debajo de estos mismos biomateriales metálicos.

Microdureza Vickers de aleaciones del sistema Ti-5Mo-xNb as-cast, en comparación con otros biomateriales metálicos.

La estructura de los huesos es dinámica, y sus tejidos pueden variar según la carga aplicada42. La Tabla 2 presenta los valores de microdureza Vickers de las aleaciones estudiadas en comparación con el promedio del hueso cortical humano.

Según la norma ISO1099344, un biomaterial solo se considerará citotóxico si la viabilidad celular es inferior al 70 %. Las aleaciones estudiadas no mostraron un efecto de citotoxicidad (Fig. 7, panel izquierdo). Las células en el medio de cultivo permanecieron viables incluso después de haber sido acondicionadas a las aleaciones, lo que se puede observar al activar la vía mitocondrial celular, que analiza MTT.

Ensayos de viabilidad celular (izquierda) y adhesión (derecha) de aleaciones del sistema Ti-5Mo-Nb as-cast y algunos otros biomateriales metálicos.

En cuanto a la adhesión celular, todas las aleaciones analizadas mantuvieron porcentajes por encima del grupo control, como se presenta en la Fig. 7, mostrando un estímulo para la adhesión celular en el medio de cultivo analizado, factor esencial para la supervivencia celular. Las diferencias encontradas al comparar las aleaciones estudiadas podrían estar relacionadas con la capacidad de las mismas para interactuar con el medio de cultivo celular una vez que son capaces de liberar elementos con mayor capacidad dinámica para modificar el rendimiento celular, como hemos informado anteriormente al evaluar otras aleaciones45, 46,47. Brevemente, los elementos liberados de las aleaciones deben impulsar diferentes señales intracelulares, principalmente aquellas relacionadas con la activación de la integrina y que requieren el equilibrio de las acciones de las quinasas y las fosfatasas48,49, pero se deben considerar nuevos enfoques experimentales para comprender mejor este mecanismo. Sin embargo, es necesario mencionar que todas las aleaciones investigadas promovieron una mayor adhesión cuando se compararon con el control, cuando las células se mantuvieron en condiciones clásicas de cultivo celular.

Con los resultados obtenidos se deduce que:

La composición química semicuantitativa por EDS confirma la excelente calidad de los lingotes producidos y que los elementos constituyentes de las muestras se aproximan a las composiciones nominales propuestas inicialmente.

El mapeo químico de las muestras no muestra aglomerados ni elementos segregados, lo que indica una buena homogeneidad de los lingotes producidos.

La densidad de las aleaciones se mantuvo baja y cercana a la CP-Ti, aumentando a medida que aumentaba la cantidad de niobio.

La microestructura de las aleaciones resultó ser sensible a la adición de Nb: la cantidad de fase β aumentó a medida que aumentaba el contenido de Nb de las aleaciones, presentando la aleación Ti-5Mo-30Nb solo esta fase.

Los valores de microdureza Vickers disminuyeron con el aumento de Nb, excepto el Ti-5Mo-10Nb, que tuvo su microdureza aumentada, probablemente debido a la presencia de fase ω en su microestructura.

Las pruebas de citotoxicidad muestran que las aleaciones no tienen efecto citotóxico y mantienen las células viables, provocando la estimulación para la adhesión celular, lo que indica que las aleaciones tienen un gran potencial como biomateriales para ser utilizados en el área de la salud. Las mediciones del ángulo de contacto pueden proporcionar un mejor análisis de la adhesión celular.

Las muestras se produjeron utilizando Ti grado 2 comercialmente puro (CP-Ti, Sandinox), Mo (99,9 % de pureza, Sigma-Aldrich) y Nb (99,8 % de pureza, Sigma-Aldrich) como materiales precursores. Los metales fueron separados en la composición nominal de cada aleación. Se fundieron lingotes de aproximadamente 60 g en un horno de fusión por arco con electrodo de tungsteno en atmósfera inerte y controlada de gas argón. Para asegurar la homogeneidad de cada muestra, los lingotes se refundieron cinco veces.

Después de la fusión, los lingotes fueron caracterizados químicamente, con mediciones de composición química realizadas por el método de Espectroscopía de Dispersión de Energía (EDS), utilizando un detector modelo Oxford, INCA acoplado en un equipo SEM. Además, se midieron los valores de densidades de las muestras por el método de Arquímedes en una balanza digital.

Los análisis estructurales y microestructurales se realizaron mediante difractometría de rayos X (XRD), microscopía óptica (OM) y microscopía electrónica de barrido (SEM). Las medidas de XRD se realizaron en un modelo Panalytical X'Pert-Pro, con radiación Cu-Kα, corriente de 30 mA, potencial de 40 kV y modo de tiempo continuo. Las imágenes OM y SEM se obtuvieron en un microscopio óptico (modelo Olympus BX51M) y un microscopio Carl Zeiss (modelo EVO-015). El refinamiento Rietveld de los patrones de XRD se realizó mediante el software GSAS50, con la interfaz EXPEGUI51, utilizando las hojas de datos cristalográficas de las fases de titanio metálico52, y se utilizó una muestra estándar de Ti-cp para eliminar la contribución experimental del equipo23.

Las medidas de microdureza se obtuvieron en un equipo modelo Shimadzu HMV-2, con cinco muescas en cada muestra, una carga de 25 gf y 10 s de duración. Las mediciones se realizaron con base en la norma ASTM E9253.

Se realizaron pruebas biológicas de MTT y cristal violeta para verificar la viabilidad celular y la adhesión al contacto con muestras de las aleaciones producidas. Para verificar el potencial citotóxico de las aleaciones, se mantuvieron en cultivo celular durante 24 h, siguiendo la norma ISO 10.99344. Después del período de acondicionamiento, el medio de cultivo celular (αMEM; Sigma) se recolectó y complementó con Suero Fetal Bovino (FBS) al 10% (Nutricell, Campinas, SP, Brasil) y se usó para tratar preosteoblastos durante 24 h. Los preosteoblastos (MC3T3-E1, subclon 4) se obtuvieron de la ATCC y se mantuvieron en este estudio según lo recomendado por las pautas del fabricante. Brevemente, las células se mantuvieron a 37ºC y 95% de humedad en 5% de CO2 en una incubadora con un medio de cultivo celular específico que contenía antibióticos (100 U/mL de penicilina, 100 mg/mL de estreptomicina) suplementado con 10% de Suero Fetal Bovino. Las células se sembraron 24 h antes del tratamiento en una placa de 96 pocillos ya una densidad de 5 × 104 células/ml. Después del tiempo determinado de exposición al cultivo celular acondicionado, se midió la viabilidad de estas células mediante la prueba MTT. Cuando se retiró el medio de cultivo, se añadió 1 mg/ml de sal de bromuro de tetrazolio azul de tiazolilo (Sigma Aldrich #M5455-1G) y se colocó en un horno durante 3 h más. Transcurrido este tiempo, se retiró el cultivo celular y se añadió 0,1 ml de DMSO para solubilizar el colorante formado por las células viables. Posteriormente, se midió la absorbancia a 570 nm utilizando un lector de microplacas multimodo Biotek SYNERGY-HTX.

Para los ensayos de adhesión celular, se sembraron preosteoblastos con medios acondicionados por las aleaciones. Las células se sembraron en placas de 96 pocillos a una densidad de 5 × 104 células/ml. Después de 24 h, se retiró el medio y se midió la adhesión incorporando Crystal Violet. La absorbancia se midió a 540 nm en un lector de microplacas Biotek. Los resultados se representaron como media ± desviación estándar (DE). Se verificaron utilizando ANOVA de una vía (paramétrico) con post-test de Tukey para comparar todos los pares de grupos. En este caso, se consideró estadísticamente significativo p < 0,05 y altamente significativo p < 0,0001. El software utilizado fue GraphPad Prism 7.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente.

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Descargar referencias

Los autores desean agradecer al profesor Oscar Balancin y Rover Belo (UFSCar) por utilizar equipos de laminación en caliente. Este estudio fue financiado en parte por la Coordinación de Perfeccionamiento del Personal de Educación Superior—Brasil (CAPES)—Código de Finanzas 001, CNPq (subvención n.° 308.204/2017-4) y FAPESP (concesión n.° 2015/50.280-5 y 2020/03.257 -6).

Laboratorio de Anelasticidad y Biomateriales, UNESP - Univ Estadual Paulista, Bauru, SP, 17.033-360, Brasil

Giovana Collombaro Cardoso, Dante Oliver Guim Corrêa, Diego Rafael Nespeque Correa & Carlos Roberto Grandini

IBTN-Br – Instituto de Biomateriales, Tribocorrosión y Nanomedicina – Filial Brasileña, Bauru, SP, 17.033-360, Brasil

Giovana Collombaro Cardoso, Dante Oliver Guim Corrêa, Diego Rafael Nespeque Correa & Carlos Roberto Grandini

Instituto de Biociencias, UNESP - Univ Estadual Paulista, Botucatu, SP, 18.618-689, Brasil

Gerson Santos de Almeida y Willian Fernando Zambuzzi

Facultad de Odontología de Bauru, Universidad de Sao Paulo, Bauru, SP, 17.012-901, Brasil

Marília Afonso Rabelo Buzalaf

IFSP – Instituto Federal de Educación, Ciencia y Tecnología de São Paulo, Sorocaba, SP, 18.095-410, Brasil

Diego Rafael Nespeque Correa

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GC: Conceptualización, Metodología, Investigación, Redacción—borrador original; Metodología GA, Investigación Biológica; DC: Investigación Biológica; WZ: Recursos, Investigación Biológica, Curación de Datos, Validación. Escritura – revisión; MB: Metodología, Recursos, Curación de datos, Redacción – revisión; DC: Investigación Estructural, Metodología, Recursos, Curación de Datos, Redacción – revisión; Carlos Grandini: Supervisión, Adquisición de fondos, Recursos, Redacción—revisión y edición. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del artículo.

Correspondencia a Carlos Roberto Grandini.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Cardoso, GC, de Almeida, GS, Corrêa, DOG et al. Preparación y caracterización de nuevas aleaciones de Ti-Mo-Nb as-cast para aplicaciones biomédicas. Informe científico 12, 11874 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14820-8

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Recibido: 14 de marzo de 2022

Aceptado: 13 junio 2022

Publicado: 13 julio 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-14820-8

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