BRPI0716805A2 - Método de dopar superfícies - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO DE DOPAR SUPERFÍCIES". Pedido Relacionado

Este pedido reivindica o benefício de prioridade sob 35 U.S.C. § 119 para o Pedido provisório U.S. ne 60/910.464, registrada em 6 de abril de 2007, cuja descrição está aqui incorporada como referência. Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a métodos de bombardeamento de superfícies de produtos, tais como equipamentos médicos, com dopan- tes.

Antecedentes da Invenção

O bombardeamento de superfícies metálicas com os assim chamados materiais abrasivos está descobrindo e aumentando o número de pedidos técnicos nos últimos anos. Técnicas tais como jateamento abrasivo, jateamento de granalha, jateamento de areia, jateamento por martelamento ("shot-peening"), e micro abrasão caem nessa categoria de técnica de tra- ta,mento de superfície. Em cada uma dessas técnicas, geralmente, um ma- terial abrasivo granalha ou areia, é misturado com um fluido e entregue a alta velocidade para colidir com a superfície a ser tratada. A técnica usada para entregar o material abrasivo pode ser classificada como úmida ou seca, dependendo da escolha do meio fluido usado para entregar o abrasivo à su- perfície, geralmente água ou ar, respectivamente. O termo genérico "bom- bardeamento abrasivo" é usado para referir a todas essas técnicas nesta especificação.

Pedidos dessas tecnologias incluem corte de metal, superfícies

metálicas para trabalho a frio para induzir características e deformação de- sejáveis e o pré-tratamento de superfícies para induzir a textura desejável (rugosidade de superfície) com o propósito de aumentar a adesão de outros materiais de revestimento. (Vide Solomon e outros, Welding research, 2003, Outubro: pp. 278-287; Momber e outros, Tribology International, 2002.35: pp. 271-281; Arola e outros, J. Biomed Mat. Res., 2000.53(5): pp. 536-546; e Arola e Hall, Machine Science and technology, 2004.8(2): pp. 171-192). Um exemplo desse último deve ser encontrado no setor biomédico onde implan- tes de titânio são jateados com granalha com alumina ou sílica para alcançar um nível ótimo de rugosidade de superfície que maximizará a adesão de revestimentos de hidroxiapatita (HA) pulverizada com plasma na superfície dos implantes. Implantes revestidos com HA são desejáveis devido às pro- priedades biomiméticas da camada de apatita mas uma ótima resistência de ligação entre a superfície de titânio e a camada de apatita é também neces- sária.

Foi sabido por algum tempo que, durante o bombardeamento dessas superfícies, alguns desses materiais abrasivos tornam-se impregna- dos na própria superfície do metal, o que gerou algum interesse nessas téc- nicas como possíveis candidatas para modificação da química de superfícies em geral (vide Arola e outros e Arola e Hall, acima). Novamente com refe- rência ao setor biomédico, um estudo encarou o jateamento com granalha como um meio de colocar uma camada de hidroxiapatita diretamente sobre uma superfície de titânio em um esforço para evitar o processo caro de jate- amento por spray de plasma. Ishikawa1 K. e outros, Blast coating method: new method of coating titanium surface with Hydroxiapatite at room tempera- ture. J. Biomed. Mat. Res., 1997.38: pp. 129-134. Nesse estudo, a distribui- ção de partículas de HA de tamanho não-especificado foi usada como abra- sivo. Entretanto, dado que a camada de apatita depositada poderia ser re- movida com um regime de lavagem benigna, parece que uma forte ligação com a superfície do metal não foi alcançada.

Choi e outros (KR20030078480) refere-se ao uso de partículas de fosfato de cálcio simples como meio de jateamento com granalha com o propósito de incrustar a granalha na superfície dos implantes dentais mas partículas acima de 190 μιη são descritas.

A patente norte-americana nQ 6.502.442 ([6]) refere-se ao uso de HA sinterizado como o abrasivo usando-se água como meio fluido. Algu- ma impregnação de HA foi alcançada nesse caso, uma vez que o HA foi processado termicamente.

Muller e outros (US2004158330) descreveu partículas de jatea- mento compreendendo fosfato de cálcio contido em uma matriz opaca. Ou- tras descrições (por exemplo, patente norte-americana nos 4.752.457 e 6.210.715) descrevem métodos de produção de microesferas de fosfato de cálcio geralmente compreendendo um componente polímero e métodos complexos de produção do mesmo, mas sua eficácia como meio de jatea- mento não foi elucidada.

O sistema Rocatec® para a silicização de superfícies metálicas e outras superfícies também usa partículas individuais tendo componentes múltiplos. Essa tecnologia é usada extensivamente na área dental. Nesse caso, uma partícula de alumina tendo uma camada externa aderente de síli- ca é projetada em uma superfície pré-rugosa e no impacto o calor local ge- rado na vizinhança do impacto faz com que a camada externa da sílica fragmentada se torne fundida à superfície em um processo referido como ceramicização.

Bru-Magniez e outros (patent norte-americana nQ 6.431.958)

descreveu materiais abrasivos duros com múltiplas camadas estratificadas para uso em técnicas de bombardeamento de jateamento abrasivo para mo- dificar superfícies. Nesse caso o propósito do processo era incrustar ou ligar a camada estratificada em torno das partículas abrasivas à superfície sendo tratada. A camada externa compreende pelo menos um polímero enquanto o material núcleo cerâmico de escolha é um oxido, carboneto, nitreto ou car- bonetos.

Foi proposto o uso de camadas poliméricas estratificadas múlti- plas. Lange e outros (patente norte-americana nQ 6.468.658) descreveram uma partícula composta de um material núcleo base e uma camada aderen- te externa de dióxido de titânio para propósitos de jateamento.

Outras pedidos de bombardeamento abrasivo com os propósitos de modificação de superfície podem ser descobertos no setor biomédico tal como, por exemplo, o uso de microabrasão para limpar a escória óxida dos suportes dos stents coronários usinados a laser e a impregnação das super- fícies dos marca-passos e desfibriladores com sílica para aumentar a ade- são de outros revestimentos polímeros ao equipamento. Uma associação entre esses exemplos é o uso de um único tipo de partícula sólida na corrente fluida.

O recente interesse significativo na tecnologia de modificação de superfície no que se refere a equipamentos biomédicos é abastecido pelo sucesso do Drug Eluting Stent (DES). Desde a introdução de técnicas endo- vasculares nas estratégias de revascularização nos anos 90 mudaram dra- maticamente nos últimos anos. Entretanto, a re-ocorrência de estenose no stent (ISR) permanece um problema em que a ruptura do revestimento do vaso no local do stent pode provocar a ativação de plaquetas sangüíneas, a secreção de mediadores de inflamações e eventualmente a formação de células musculares lisas (SMC), um processo análogo à formação de cicatriz em torno de um local ferido. Além disso, como o stent também contata o sangue, ele não deve induzir a reação a um corpo estranho (FBR) nos teci- dos ou das células corporais, isto é, ele deve ser biocompatível. O DES usa a tecnologia de modificação de superfície para combater esses problemas em que a superfície do stent é usada para entregar agentes ativos (agentes antirestenose e antitrombose) geralmente em uma matriz polímera localmen- te ao local do equipamento onde eles são mais necessários. Essa tecnologia foi desbravada pela Cordis com seu stent Cypher que recebeu a aprovação da FDA em 2003. Desde então um número de outros DES apareceram no mercado, todos visando a redução de ISR e trombose nos pacientes que tenham procedimentos de intervenção coronária percutânea (PCI). Todos esses equipamentos ativos usam uma matriz polímera para levar o fármaco na superfície do stent e controlar suas características de eluição in vivo. Entretanto, surgiram problemas com o DES atribuídos a um nú-

mero de fatores, entre eles, alcançar o controle adequado das característi- cas de eluição do(s) fármaco(s). A matriz polímera (que degrada com o tem- po para liberar o fármaco e os produtos de degradação do polímero) foi iden- tificada como um possível culpado em pacientes com hipersensibilidade. Assim, há esforços contínuos para desenvolver novos métodos para contro- lar a entrega e eluição dos fármacos.

Um grande corpo da técnica anterior na área de stents foi dire- cionado para alcançar revestimentos passivos na superfície do stent para controlar o ISR. Esses incluem tais processos como nitruração e carbo- nitruração, o uso de revestimentos de carbono e carboneto de silício bem como processos para espessar ou aumentar a camada de oxido nativo na superfície dos materiais do stent incluindo oxidação, implantação de íon e tratamentos eletroquímicos tais como eletropolimento e eletrodeposição com metais inertes. Todos esses processos, entretanto, têm um número de des- vantagens e nenhuma técnica de tratamento como tal fornece a superfície ideal para resultados clínicos ótimos. Uma outra área de relevância é a área de formação de biopelí-

culas nas superfícies de equipamentos implantáveis em que as bactérias na superfície das superfícies do implante se arranjam em películas com estrutu- ras macroscópicas tridimensionais. Nesse caso a própria película pode re- presentar uma barreira para tratamentos antimicrobianos padrão tais como, por exemplo, o uso sistêmico de antibióticos. É relatado que a dose sistêmi- ca de antibiótico requerida para matar infecções de biopelículas bacterianas pode ser até 1000 vezes a dose sistêmica necessária para matar suas con- trapartes planctônicas em suspensão freqüentemente induzindo efeitos cola- terais indesejáveis e sérios nos pacientes. A entrega localizada de fármacos nas superfícies dos equipamentos implantáveis foi mencionada como um dos métodos para direcionar agentes antimicrobianos na superfície do im- plante onde eles são mais necessários, evitando a formação de biopelículas com a vantagem adicional do uso de dosagens muito menores que nos tra- tamentos sistêmicos. Atualmente a maioria das estratégias bactericidas para entrega

localizada de fármacos usa revestimentos polímeros ou microesferas polí- meras incrustadas em outras matrizes transportadoras adequadas como ve- ículos para agentes antibacterianos. Em adição, sais de fosfato de cálcio, inclusive hidroxiapatita foram propostos como veículos adequados para anti- bióticos. Deposição biônica foi usada para depositar camadas de apatita na- no cristalinas na superfície de implantes metálicos ortopédicos que podem então ser carregados com fármacos precipitados no revestimento inorgânico da solução em uma etapa separada (US20040131754). Tais estratégias po- dem ter dupla vantagem como por exemplo na área de implantes ortopédi- cos onde o fosfato de cálcio fornece um benefício osteocondutor nas super- fícies de indução do osso em crescimento in vivo enquanto o antibiótico re- duz o risco de formação de biopelícula, ambos os fatores contribuindo pesa- damente para a necessidade de procedimentos de revisão. Entretanto, essa abordagem é limitada pela área de superfície disponível na superfície do implante uma vez que isto determina a quantidade de antibiótico que pode ser carregada. Além disso a abordagem é de múltiplas etapas uma vez que freqüentemente a anexação de camadas de cerâmica envolve altas tempe- raturas (como, por exemplo, no caso de revestimentos de fosfato de cálcio pulverizado com plasma) ou a anexação do fármaco requer o controle preci- so do pH e de outros parâmetros do processo eliminando a anexação simul- tânea do sal inorgânico e do agente antibacteriano. Entre os antibióticos que foram anexados às superfícies metálicas através desses métodos estão gen- tamicina, tobramicina, vancomicina, ampicilina, e outros.

A faixa de agentes terapêuticos que poderiam fornecer benefí- cios para pacientes se presentes na superfície dos implantes não é limitada a antibióticos ou imunossupressores. Vários estudos focalizaram na coloca- ção de outros agentes terapêuticos na superfície de dispositivos implantá- veis para induzir respostas in vivo desejáveis. Por exemplo, alguns estudos focalizaram na colocação de moléculas funcionais envolvidas nessas ondu- lações nas superfícies dos implantes. Essas incluem, por exemplo, proteí- nas, entre elas hormônios, fatores de crescimento, proteínas estruturais, e antígenos. Como um corolário disso, muito trabalho foi focalizado no projeto de peptídeos e proteínas que tenham similaridade estrutural com os locais ativos das proteínas envolvidas nas trilhas biológicas. Por exemplo, o uso de peptídeos RGD em pedidos ortopédicas, ou peptídeos bacterianos foram propostos como estratégias para combater a infecção bacteriana em casos, por exemplo, onde a bactéria tem alta resistência a antibióticos convencio- nais.

Como implantes médicos são cada vez mais feitos sob medida para o paciente, eles também podem ser vistos como meio de entrega de agentes terapêuticos para o tratamento de mais outras doenças específicas do paciente, por exemplo, diabetes, cânceres e outras doenças não direta- mente relacionadas à função primária do implante. Um equipamento in vivo proporciona a si próprio funções múltiplas em que a superfície do dispositivo torna-se um veículo para entregar agentes terapêuticos que devem der ne- cessários para tratar outras doenças que o paciente possa ter.

Os fatores Iimitativos em alcançar a capacidade de entrega dos agentes terapêuticos na superfície dos implantes geralmente envolvem en- genharia e aspectos de processamento. São necessários métodos para co- locar esses agentes na superfície que sejam comensuráveis com a manu- tenção da atividade e da integridade estrutural dos próprios agentes e o con- trole da química da superfície, particularmente sua eluição cinética in vivo. Como muitos dos agentes desejados são biológicos por natureza, os parâ- metros temperatura e solução tais como pH, etc., podem apresentar barrei- ras à realização do benefício das estratégias de modificação de superfície acima mencionada.

A modificação de superfícies de implantes não é limitada ao campo apenas da entrega de agentes terapêuticos. Em muitos casos a mu· dança de superfície do dispositivo implantável pode ser necessária para o propósito de ajustar as propriedades físicas da superfície tais como, por e- xemplo, em dispositivos à base de titânio usados em procedimentos de in- tervenção coronariana, e no tratamento de calcificações patológicas tais co- mo pedras nos rins. Deve, entretanto, ser desejável ter dispositivos com maior opacidade radiológica que os atualmente associados com esses equi- pamentos in vivo. Isto facilitaria sua imagem em ressonância radiográfica ou mesmo magnética externamente e dispensaria a necessidade de procedi- mentos invasivos ou endoscopias usadas atualmente com procedimentos invasivos mínimos. Exemplos incluem a dopagem de ligas de nitinol com elementos terciários pesados tais como platina, paládio ou tungstênio entre outros para aumentar a opacidade radiológica da liga resultante para pedi- dos biomédicas ou para outras pedidos (patente norte-americana nos 7.128.757, 6.776.795, e 6.569.194). Resumo da Invenção

A presente invenção é direcionada ao fornecimento de um pro- cesso de tratamento melhorado com o propósito de modificar as superfícies de produtos, tais como produtos metálicos com materiais desejáveis de mo- do a induzir pelo menos uma das características químicas, físicas e/ou bio- lógicas naquelas superfícies.

Uma concretização fornece um método de tratamento de um substrato metálico compreendendo: remoção de um oxido metálico de uma superfície do substrato

metálico para expor a superfície metálica; e

entrega de partículas compreendendo um dopante de pelo me- nos um jato fluido para a superfície metálica para impregnar a superfície do substrato com o dopante. Uma concretização fornece um método de tratamento de uma

superfície do produto, o método compreendendo:

entregar substancial e simultaneamente um primeiro conjunto de partículas compreendendo um dopante e um segundo conjunto de partículas compreendendo um abrasivo a partir de pelo menos um jato fluido até uma superfície em um produto para impregnar a superfície do produto com o do- pante.

Em outras concretizações, o dopante pode ser polímeros, me- tais, cerâmicas, agentes terapêuticos, e combinações do mesmo. O produto pode ser um equipamento médico, tal como um dispositivo médico implantá- vel.

Breve Descrição Dos Desenhos

Várias concretizações da invenção serão entendidas da descri- ção a seguir, das reivindicações anexas e dos desenhos anexos, nos quais: a figura 1 é uma representação esquemática de um processo de tratamento da invenção;

a figura 2A é um espectro XPS de superfícies de titânio cp jate- adas com areia apenas com HA; a figura 2B é um espectro XPS de superfícies de titânio cp jate- adas com areia com uma mistura HA:Alumina;

as figuras 3A e 3B mostram espectros XPS comparativos de ní- veis de núcleos de Ca 2p (figura 3A) e P 2p (figura 3B) de titânio cp jateado apenas com HA (linha fina) e titânio cp jateado com 50:50 HA:Alumina (linha grossa);

a figura 4 mostra os espectros XPS do nível do núcleo de Ti 2p na amostra jateada com 100% HA (em cima) e a amostra jateada com uma mistura 50:50 HA:Alumina (em baixo); a figura 5 mostra mapas XPS de uma superfície de titânio cp

quadrada de 0,2 χ 0,2 mm mostrando (a) a concentração e distribuição de Ca na amostra jateada 50:50, (b) a concentração e distribuição de Ti na a- mostra jateada com areia 50:50; (c) a concentração e distribuição de Ca na amostra jateada com 100% de HA; (d) concentração e distribuição de Ti na amostra jateada com areia com 100% de HA;

as figuras 6A e 6B mostram espectros XPS comparativos dos níveis de núcleo Ca 2p e P 2p no caso de titânio Cp jateado apenas com HA (linha fina) e titânio cp jateado com 50:50 HA:contas de sílica (linha grossa);

a figura 7 é um par de varreduras de inspeção XPS de duas amostras diferentes jateadas com uma mistura 50:50 HA/contas de sílica, mostrando a capacidade de reprodução dos resultados;

a figura 8 mostra a análise bacteriana de superfícies tratadas com gentamicina/HA para (1) Staphylococcus aureus, (2) Escherichia coli, e (3) Pseudomonas aeruginosa onde a amostra da esquerda para cada análi- se é um controle negativo, e "IZ" indica a zona de inibição do crescimento;

as figuras 9A, 9B e 9C são diagramas esquemáticos de três di- ferentes concretizações de bocais para entregar os dopantes e o abrasivo a uma superfície.

a figura 10 mostra 3 fotografias da zona de inibição (IZ) em uma placa de ágar inoculada com S. aureus e exposta a um cupom de vancomi- cina (Chapa 1) e inoculada com E. Coli e exposta a Tobramicina (Chapas 2 e 3); a figura 11A mostra espectros FTIR de amostras de contas de alumina de 100 μιη duplicadas (a) e (b).

a figura 11B mostra espectros FTIR de amostras de contas de alumina de 150 μιτι duplicadas (a) e (b).

a figura 12A é um padrão de superfície XRD HA (alumina;

δΟμιτι);

a figura 12B é um padrão de superfície XRD HA (alumina;

100μιτι);

a figura 13 mostra espectros de pesquisa XPS para controles HA duplicados;

a figura 14 é uma imagem de SEM (microscópio de varredura eletrônica) de uma camada HÁ na superfície de um aço inoxidável (ASTM F 1586);

a figura 15 é um espectro de raios χ dissipador de energia (EDX) para HA na superfície de um aço inoxidável (ASM F 1586);

a figura 16 é uma imagem de SEM de uma camada HA na su- perfície de titânio CP (ASTM F 67);

a figura 17 é um espectro EDX para HA em uma superfície de ti- tânio CP (ASTM F 67); a figura 18 é uma análise AFM (Microscópio de Força Atômica)

da espessura da camada de HA na superfície de titânio CP, onde a figura 18A é uma imagem AFM e a figura 18B é a representação gráfica AFM cor- respondente;

a figura 19 é uma imagem de um SEM de micropartículas nano- porosas de S1O2 na superfície de titânio grau 5 (TÍ6AL-4V para ASTM F 136).

as figuras 20A e 20B são imagens de um SEM de uma camada HA nanoporosa na superfície de alumínio a uma ampliação de 50x (20A) e 650x (20B); e

a figura 21 é uma imagem de SEM de uma camada HA nanopo-

rosa na superfície de nitinol. Descrição Detalhada Uma concretização fornece um processo de tratamento de im- pregnação de uma superfície, tal como uma superfície metálica, com um dopante. A resistência da ligação entre o dopante e a superfície e a concen- tração do dopante alcançada na ou sobre a superfície pode ser melhorada sobre métodos convencionais de técnicas de impregnação. A invenção refe- re-se a dopantes que induzem propriedades químicas, físicas ou biológicas desejáveis na superfície dos implantes biomédicos.

Geralmente o dopante é um material que está incorporado na superfície bombardeada mas não impregna extensivamente a superfície se usado como único componente sólido em tal técnica de bombardeamento. Se o material for entregue à superfície dentro de um jato fluido de alta velo- cidade em si próprio, não ocorrerá impregnação de superfície ou ocorrerá uma impregnação mínima. Tais circunstâncias podem surgir por um número de razões; o material pode não ter um tamanho de partícula suficiente ou ser de densidade e dureza suficiente para revestir a superfície do metal e im- pregnar. Pode também ser uma conseqüência da natureza da própria super- fície.

Em muitos materiais metálicos uma camada de óxido se forma na superfície, que será mais dura que o metal ou liga principal. Superfícies metálicas (especialmente aquelas de titânio e derivadas de ligas de titânio) são naturalmente contaminadas no ar por uma variedade de contaminantes. As propriedades físicas e químicas detalhadas de qualquer superfície metá- lica dependem das condições sob as quais elas são formadas. A reatividade inerente do metal pode também atrair vários produtos quími- cos/contaminantes ambientais que oxidam a superfície. Por exemplo, o titâ- nio é um metal altamente reativo, que é prontamente oxidado por vários meios diferentes. Isto resulta em o titânio estar sempre coberto por uma ca- mada de óxido. Essa camada de óxido é quimicamente estável mas não sempre quimicamente inerte, uma vez que a camada de óxido pode continu- ar a reagir com vários reagentes em seu ambiente, por exemplo, moléculas orgânicas. Tradicionalmente, a modificação da camada de titânio/camada de óxido onde quaisquer materiais novos na camada de óxido ocorreu como subproduto daquele processo. Em alguns casos o novo material na camada de óxido pode ser vantajoso para a funcionalidade eventual da superfície afetada; entretanto, em alguns casos o novo material pode constituir uma intrusão indesejada ("Titanium in Medicine", D.M. Brunette; P. Tengvall; M.

Textor; P. Thompson. Springer, Nova Iorque, ESBN 3-540-66936-1).

A presente invenção é direcionada para a adição intencional de um material de escolha à superfície. Uma concretização tira vantagem da reatividade inerente de metais pela remoção temporária da camada de óxido sobreposta ao substrato metálico, e tratando o metal abaixo recém exposto para adicionar um novo material (um dopante). Dependendo da natureza daquele material adicionado, as propriedades da superfície do produto metá- lico podem ser ajustadas de acordo com os requisitos funcionais pretendi- dos.

O titânio e suas ligas formam uma camada de óxido na superfí- cie. Essa camada de óxido é tipicamente inerte e não-reativa, enquanto o titânio em si é altamente reativo e formará instantaneamente uma camada de óxido na exposição ao ambiente atmosférico. A formação de uma cama- da de óxido é freqüentemente uma propriedade desejada de um dispositivo de implante.

Exemplos de dopantes no setor de dispositivos biomédicos in-

cluem, por exemplo, hidroxiapatita, polímeros de eluição de fármacos, e ou- tros sistemas de entrega de fármacos. E o produto a ser impregnado com- preende um metal tal como, por exemplo, titânio, aço, cobalto, cromo, e suas ligas.

Consequentemente, uma concretização da presente invenção

fornece um método de tratamento de um substrato metálico compreenden- do:

remoção de um óxido metálico de uma superfície do substrato metálico para expor uma superfície metálica; e entrega de partículas compreendendo um dopante de pelo me-

nos um jato de fluido à superfície metálica para impregnar a superfície do substrato com o dopante. Em uma concretização, a superfície metálica é suficientemente reativa na presença de ar que uma nova camada de oxido pode se formar, evitando assim a adição do dopante a uma camada de superfície metálica. Em uma concretização, a presente invenção envolve a adição do dopante antes da reoxidação da superfície metálica recém formada. Em uma concre- tização, a etapa de remover a superfície do oxido metálico é executada sob uma atmosfera inerte. Em outra concretização, a remoção é executada subs- tancialmente simultaneamente com a entrega, de forma que a superfície me- tálica não é substancialmente oxidada antes da entrega. A camada de oxido do metal pode ser removida por uma varie-

dade de técnicas. Em uma concretização, a remoção compreende jatear a - brasivamente a superfície oxida do metal. A etapa de jatear abrasivamente em si pode ser executada por um número de métodos, por exemplo, jatea- mento de areia, micro jateamento, jateamento com jato de água, e jateamen- to por martelamento ("shoot peening"), conforme discutido em maiores deta- lhes abaixo, bem como quaisquer outros meios de bombardeamento abrasi- vo conforme conhecido na técnica. Em uma concretização, a etapa de jatear abrasivamente é executada substancialmente simultaneamente com a etapa de entrega das partículas compreendendo o dopante, por exemplo, duas correntes de partículas podem ser alvidedas na superfície de oxido do metal onde uma corrente jateia abrasivamente a superfície de oxido para expor a nova superfície metálica e a outra corrente bombardeia a nova superfície metálica com dopante.

Em outra concretização, a remoção é selecionada entre pelo menos uma etapa de perfuração, corte, conformação, moagem, microusina- gem, fricção, trituração, polimento e erosão. Em outra concretização, a re- moção é selecionada de pelo menos uma etapa de causticação ácida, caus- ticação alcalina, e tratamento com peróxido de hidrogênio. Em ainda outra concretização, a remoção compreende um tratamento a laser selecionado entre ablação, marcação/causticação, soldagem, corte, e revestimento. Em outra concretização, a remoção compreende um tratamento com plasma selecionado entre causticação e limpeza. Conforme declarado acima, em certas das concretizações des- critas aqui, o processo de remoção de oxido pode ser executado em um am- biente inerte para expor a nova superfície metálica por um tempo suficiente para conduzir o processo de tratamento, por exemplo, a adição de um novo material à superfície antes da re-exposição da superfície a um ambiente rico em oxigênio. Nesse momento, a camada de óxido pode se regenerar, mas influenciada/modificada pelo(s) dopante(s) capturado(s) adicionado(s).

Em uma concretização, o equipamento para remoção da cama- da de óxido antes, ou substancialmente simultaneamente, do bombardea- mento da superfície pode ser incorporado com o jato de fluido uma unidade de um único grupo ou pode ser incorporado na linha de produção. O equi- pamento pode ser usado em um ponto de uso onde constituiria uma máqui- na com base em cirurgia asséptica que um cirurgião poderia usar em uma sala de operação para modificação da superfície personalizada/prescrita an- tes da implantação do dispositivo no paciente. Cartuchos descartáveis veícu- los / filtradores de dopantes podem ser usados para evitar contaminação cruzada terapêutica e para facilidade de limpeza.

Se o dopante for entregue simultaneamente à superfície com um abrasivo impactando com suficiente energia (um material com tamanho de partícula, densidade e dureza suficientes) para afetar a camada de óxido, uma janela de oportunidades pode ser criada onde o material dopante pode ser recolhido pela superfície antes da camada de óxido se reformar em torno dele. O material dopante pode tomar-se fortemente ligado à camada de óxi- do da superfície. Assim, a superfície pode ser impregnada com materiais que transmita propriedades desejáveis à superfície em uma forma de custo eficaz a temperaturas comuns. Além disso, a energia dissipada no local de impacto do abrasivo pode ser suficiente para o dopante tornar-se cerâmico ou aglutinado à superfície. Consequentemente, uma concretização fornece um método de tratamento da superfície de um produto, o método compreen- dendo a entrega simultaneamente de um primeiro conjunto de partículas compreendendo um dopante e um segundo conjunto de partículas compre- endendo um abrasivo de pelo menos um jato fluido para uma superfície de um produto para impregnar a superfície do produto com o dopante.

Uma concretização da presente invenção refere-se à impregna- ção de superfícies metálicas com um material de escolha (aqui após o do- pante) usando-se técnicas de bombardeamento abrasivo convencional pela mistura de dopantes com um material abrasivo (areia ou brita) de escolha na superfície. O abrasivo, colidindo com a superfície com força suficiente para afetar a camada de óxido ou então deformar a superfície a ser tratada, cria uma janela de oportunidades onde o(s) dopantes(s) pode(m) ser recolhido(s) pela superfície ou incorporados na, ou sobre a, superfície. As concretizações da invenção são abrangidas, mas não limita-

das, pela representação esquemática da invenção na figura 1. A figura 1 (esquerda) mostra esquematicamente um jato fluido (bocal) 2 que entrega simultaneamente uma corrente 3 compreendendo um conjunto de partículas abrasivas 4 e um conjunto de partículas dopantes 6. Os conjuntos de partí- cuias 4 e 6 bombardeiam uma superfície 10 de um substrato 8. Em uma concretização, o substrato 8 é um substrato metálico e a superfície 10 é uma camada de óxido. Como resultado do bombardeamento pelas partículas a- brasivas 4, a superfície da camada de óxido é interrompida, e rompe na ca- mada de óxido 10 resulta na exposição de uma nova superfície 10a do subs- trato 8 (centro). No caso de um substrato metálico, a superfície recém ex- posta é uma superfície metálica. À medida que a corrente de partículas 3 continua a colidir com o substrato 8, as partículas de dopante 6 (direita) são integradas na superfície 10 do substrato 8. Onde o substrato pé um substra- to metálico, uma nova camada de óxido 10 se forma novamente em torno das partículas de dopante 6.

Em certas concretizações, os materiais dopantes incluem, mas não estão limitados a, materiais desejados em uma superfície de implante com o propósito de dirigir e melhorar a interação do implante com o tecido corporal. O dopante pode compreender materiais tais como polímeros, me- tais, cerâmicas (por exemplo, óxidos metálicos, nitretos metálicos), e suas combinações, por exemplo, misturas de dois ou mais dos mesmos.

Dopantes exemplares incluem fosfatos de cálcio modificados, incluindo Ca5(PO4)3OH1 CaHP04.2H20, CaHPO4, Ca8H2(PO4)6-SH2O1 α- Ca3(PO4)2, P-Ca3(PO4)2 ou qualquer fosfato de cálcio modificado contendo carbonato, cloreto, fluoreto, silicato ou ânions de aluminato, prótons, potás- sio, sódio, magnésio. Bário ou cátions de estrôncio.

Outros dopantes exemplares incluem titânia (TiO2), zircônia, hi-

droxiapatita, sílica, carbono, e quitosano/quitina.

Em uma concretização, o dopante é uma combinação de um meio de transporte do agente e pelo menos um agente terapêutico (incluindo biomoléculas e produtos biológicos). Veículos potenciais para agentes tera- pêuticos incluindo antibióticos, imunossupressores, peptídeos antigênico, peptídeos bacterianos, proteínas estruturais e funcionais, foram descritos na Patente norte-americana n- 6.702.850. Revestimentos de fosfato de cálcio podem também ser usados como veículos de fármacos (vide as Patente nor- te-americanas nos 6.426.114, 6.730.324 e a Pedido Provisório U.S. ns 60/410.307, cujas descrições estão aqui incorporadas como referência). Do- pantes que podem agir como meio de transporte do agente incluem nanopo- rosas, mesoporosas, nanotubes, micropartículas de vários materiais incluin- do hidroxiapatita, sílica, carbono e titânia (TiO2) capaz de transportar agen- tes terapêuticos, biomoléculas e produtos biológicos. Substâncias em partí- cuias e pós (por exemplo, pó de titânia) podem ser ou adesivamente ligados ou covalentemente anexados (presos) aos agentes terapêuticos, biomolécu- las e produtos biológicos.

Compostos de meios e veículos (por exemplo, sinterizados em conjunto), e combinações de veículos podem transportar fármacos e produ- tos biológicos e podem controlar perfis de eluição.

Outros dopantes exemplares incluem titanato de bário, zeólitos (alumino-silicatos), inclusive zeólitos silicioso e zeólitos contendo pelo menos um componente selecionado entre fósforo, sílica, alumina, zircônia, carbona- to de cálcio, vidro biocompatível, vidro de fosfato de cálcio. O dopante pode também ser um fator de crescimento consistindo em fatores de crescimento epidérmico, fatores de transformação do crescimento a, fator de transforma- ção do crescimento β, fatores de crescimento da varíola, fatores de cresci- mento do fibroblasto, fatores de crescimento semelhantes à insulina, fatores de crescimento derivados de plaquetas, fatores de crescimento derivados de cartilagem, interleucina-2, fatores de crescimento e células nervosas, fatores de crescimento de células hematopoiéticas, fatores de crescimento de linfó- citos, proteínas morfogênicas de ossos, fatores osteogênicos, ou fatores condrogênicos.

Em uma concretização o dopante é hidroxiapatita depositada em ema superfície de titânio. Tanto HA quanto TiO2 constituem excelentes biointerfaces biocompatíveis , ambas sendo bioestáveis e seguras no corpo. Ambas podem ser chamados de bioreativos pelo fato de que eles podem induzir respostas específicas em certos tecidos, particularmente tecidos ós- seos. A superfície resultante da deposição de HA no titânio conforme entre- gue pela técnica de micro-jateamento combina os benefícios de ambos os materiais. O TiO2 não é totalmente coberto pelo dopante (HA) e portanto a- inda presente no tecido biológico, enquanto o HA fixado sobre e na superfí- cie não é desnaturado pelo processo de deposição e portanto transporta to- do o seu benefício ao tecido envolvente. Dessa maneira, os diferentes bene- fícios de ambos os biomateriais podem ser empregados na biointerface e quando também combinado com a textura/morfologia da superfície melhor adequada para a funcionalidade pretendida do implante, e além disso a dis- ponibilidade de um mecanismo entrega de fármaco, pode fornecer vários métodos para ajustar o perfil terapêutico, de composição e morfológico dis- ponível para o paciente usuário final.

Em uma concretização, o dopante é um agente terapêutico. O agente terapêutico pode ser entregue como uma partícula, ou imobilizada em um material de veículo. Materiais veículos exemplares incluem quaisquer dos outros dopantes listados aqui indol e ácidos indeno acéticos (indometa- cina, sulindac e etodalac), ácidos heteroarila acéticos (tolmetin, diclofenaco, e quetorolaco), ácidos arilpropiônicos (ibuprofeno e derivados)m ácidos an- tranílicos (ácido mefenâmico e ácido meclofenâmico), ácidos enólicos (piro- xicam, tenoxicam, fenilbutazona, e oxifentatrazona), nabumetona, compos- tos de ouro (auranofin, aurotioglucose, tiomalato de ouro sódio); imunossu- pressores: (ciclosporina, tacrolimus (FK-506), sirolimus (rapamicina), azatio- prine, mofetil micofenolato); agentes antigênicos: fator de crescimento endo- telial vascular (VEGF), fator de crescimento do fibroblasto (FGF); bloqueado- res de receptores de angiotensina; doadores de ácido nítrico; oligonucleotí- deos anti-sensibilidade e suas combinações; inibidores de ciclos de células, inibidores mTOR, e inibidores quinase da transdução de sinal receptor de fator de crescimento; retinóide; inibidores de ciclina/CDK; inibidores de da co-enzima reductase HMG (estatinas), e inibidores de protease (inibidores de matriz de protease). Em uma concretização, o dopante é um antibiótico escolhido en-

tre tobramicina, vancomicina, gentamicina, amplicilina, penicilina, cefalospo- rina C, cefalexina, cefaclor, cefamandol e ciprofloxacina, dactinomicina, acti- nomicina D, daunorubicina, doxorubicina, idarubicina, penicilinas, cefalospo- rinas, e quinolonas, antraciclinas, mitoxantrona, bleomicina, plicamicina (mi- tramicina), mitomicina, e suas misturas.

Em uma concretização, o dopante é uma proteína escolhida en- tre albumina, caseína, gelatina, lysosime, fibronectina, fibrina, quitosana, polylysine, polialanina, policisteína, Proteína Morfogenética dos Ossos (BMP), Fator de Crescimento Epidérmico (EGF), Fator de Crescimento Fi- broblasto (bFGF), Fator de Crescimento de Nervos (NGF), Fator de Cresci- mento Derivado de Ossos (BDGF), Fator de crescimento de Transformação - beta 1 (TGF - beta 1), Fator de crescimento de Transformação - beta (TGF - beta), o ácido arginino-glicino-aspárgico tripeptídeo (RGD), vitamina D3, dexametasona, eHormônio do Crescimento humano (hGH), fatores de crescimento epidérmico, fatores de crescimento de transformação a, fatores de crescimento de transformação β, fatores de crescimento de varíola, fato- res de crescimento do fibroblasto, fatores de crescimento tipo insulina, fato- res de crescimento derivados de plaquetas, fatores de crescimento deriva- dos de cartilagem, interleucina-2, fatores de crescimento de células nervo- sas, fatores de crescimento de células hemopoiéticas, fatores de crescimen- to de linfócitos, proteínas morfogênicas de ossos, fatores osteogênicos, fato- res condrogênicos, ou suas misturas. Em uma concretização, o dopante é uma heparina selecionada de heparina recombinada, derivados de heparina, e heparinas análogas ou suas combinações.

Em uma concretização, o dopante é um oligo-peptídeo, tal como um oligo-peptídeo bacteriano.

Em uma concretização, o dopante é um agente osteocondutor ou um osteointegrador.

Em uma concretização o dopante é um imunossupressor, tal como ciclosporina, rapamicina e tacrolimus (FK-506), ZoMaxx, everolimus, etoposídeo, mitoxantrone, azathioprine, basiliximab, daclizumab, Iefluno- mida, globulina imune a linfócitos, metotrexato, muromonab-CD3, micofeno- lato, e talidomida.

Em uma concretização, o material de veículo é um polímero tal como poliuretanos, tereftalato de polietileno, PLLA ácido poli glicólico (PGA) copolímero (PLGA), policaprolactona, poli-(hidroxibutirato/hidroxivalerato) copolímero, poli(vinilpirrolidona), politetrafluoroetileno, poli(2- hidroxietilmetacrilato), poli(eteruretano uréia), silicones, acrílicos, epóxidos, poliésteres, uretanos, parlenes, polifosfazeno polímeros, fluoropolímeros, poliamidas, poliolefinas, e misturas e seus copolímeros. Em uma concretização, o dopante é um material radio opaco,

tais como aqueles escolhidos entre metais alcalino terrosos, metais terras raras, e óxidos, sulfatos, fosfatos, polímeros e suas combinações.

Em uma concretização, o material de veículo é um biopolímero selecionado entre polissacarídeos, gelatina, colágeno, alginato, ácido hialu- rônico, ácido algínico, carragenina, condroitina, pectina, quitosana, e seus derivados, misturas e copolímeros.

Em uma concretização, o dopante é entregue em um fluido veí- culo gasoso, tal como nitrogênio, hidrogênio, argônio, hélio, ar, oxido de eti- leno, e suas combinações. Em outra concretização o dopante é entregue em um veículo fluido líquido. Em uma concretização, o líquido é também um lí- quido de causticação (básico ou ácido). Em uma concretização, o dopante é entregue em um ambiente inerte. Uma outra concretização refere-se ao tratamento químico de superfícies metálicas com o propósito de adesão. Uma boa adesão de tintas e revestimentos poliméricos nas superfícies metálicas é uma área de impor- tância técnica crescente. Essa tecnologia pode ser usada para pré-tratar uma superfície pela impregnação da mesma com compostos tendo a funcio- nalidade química desejada. Esses incluem, mas não estão limitados a, polí- meros ou materiais sílica tendo grupo siloxanos.

O pré-tratamento pode ser usado para estabelecer uma camada muito fortemente ligada de material polímero semente na superfície. Outros revestimentos polímeros podem então ser ligados a essa camada semente ao invés de tentar liga-los diretamente à superfície do metal.

O dopante não é limitado a um composto mas pode ser qual- quer combinação de quaisquer dos materiais listados ou mesmo qualquer material que não tenha as propriedades mecânicas necessárias para im- pregnar a superfície se entregue singularmente a uma alta velocidade à su- perfície.

Em uma concretização, o dopante pode ser qualquer material contanto que seja passivo, isto é, não reativo com a superfície. Ele simples- mente tem que estar na superfície quando a camada de oxido é atingida pe- Io abrasivo de forma que o oxido se forme novamente em torno dele.

Em uma concretização o dopante é nanocristalino.

Em uma concretização o dopante é hidroxiapatita nanocristalina.

Em uma concretização o abrasivo tem uma propriedade ade- quada escolhida entre pelo menos uma entre tamanho, forma, dureza, e densidade para quebrar a camada de óxido. Em uma concretização, o abra- sivo tem um modus dureza variando de 0,1 a 10, tal como um modus dureza variando de 1 a 10, ou um modus dureza variando de 5 a 10. Em outra con- cretização, o abrasivo tem um tamanho de partícula variando de 0,1 μτι a 10000 μιτι, tal como um tamanho de partícula variando de 1 μηι a 5000 μηι, ou um tamanho de partícula variando de 10 μηι a 1000 μηι.

Materiais abrasivos a serem usados nesta invenção incluem, mas não estão limitados a, granalha ou abrasivo feito de sílica, alumina, zir- cônia, titanato de bário, titanato de cálcio, titanato de sódio, óxido de titânio, vidro, vidro biocompatível, diamante, carboneto de silício, fosfato de cálcio, carbonato de cálcio, pós metálicos, compostos de fibra de carbono, compos- tos poliméricos, titânio, aço inoxidável, aço endurecido, ligas de cromo no aço de carbono, ou qualquer de suas combinações.

A pressão do jato de fluido será também um fator na determina- ção da energia de impacto do abrasivo. O abrasivo e o(s) dopante(s) não têm que ser entregues à superfície através do mesmo jato. Eles podem estar em um número de jatos separados contanto que eles entreguem os compo- nentes sólidos à superfície substancialmente ao mesmo tempo, por exemplo, antes da re-formação da camada de óxido se a superfície for um metal. Isto permite uma grande quantidade de flexibilidade na otimização da invenção em direção a uma necessidade específica. Em uma concretização, o jato fluido é selecionado entre jateadores úmidos, máquinas de jato de água com abrasivos, e máquinas de jateamento por martelamento ("shoot peening") úmido. Em uma concretização, o pelo menos um jato fluido opera a uma pressão variando de 0,5 a 100 bar, tal como uma pressão variando de 1 a 30 bar, ou uma pressão variando de 1 a 10 bar.

Em outra concretização, o pelo menos u jato fluido é seleciona- do entre máquinas de máquinas de jateamento por martelamento ("shoot peening") seco, jateadores secos, roda abrasiva, jateadores abrasivos, jate- adores de areia, e micro-jateadores. Em uma concretização, o pelo menos um jato fluido opera a uma pressão variando de 0,5 a 100 bar, tal como uma pressão variando de 1 a 30 bar, ou uma pressão variando de 3 a 10 bar. Em outras concretizações, equipamentos de jateamento podem

ser usados em conjunção com movimento controlado tal como CNC ou con- trole robótico. O jateamento pode ser executado em um ambiente inerte.

Em uma concretização, os dopantes e abrasivos são contidos no mesmo reservatório e sã entregues a uma superfície do mesmo jato (bo- cal). Em outra concretização, o dopante está contido em um reservatório e o abrasivo contido em um reservatório separado, e bocais múltiplos entregam os dopantes e abrasivos. Os bocais múltiplos podem, tomar a forma de um jato dentro de um jato, isto é, as partículas de cada jato bombardeiam a su- perfície no mesmo ângulo de incidência. Em outra concretização, os múlti- plos são separados espacialmente de modo a bombardearem a superfície a diferentes ângulos de incidência ainda atingem o mesmo ponto na superfície simultaneamente.

As figuras 9A, 9B e 9C são diagramas esquemáticos de três di- ferentes concretizações de bocais para entregar os dopantes e abrasivos a uma superfície: bocal único (9A); bocais múltiplos com dopantes e abrasivos entregues de reservatórios separados onde um bocal está situado dentro de outro bocal (9B); e bocais múltiplos separados com dopantes e abrasivos entregues de reservatórios separados (9C). Mais especificamente, a figura 9A mostra um bocal único 20 para entrega de uma única corrente 23 de par- tículas abrasivas 24 e partículas de dopante 26 a um substrato 28. A figura 9B mostra que bocais múltiplos com dopantes e abrasivos entregues de re- servatórios separados podem ser usados, onde a figura 9B ilustra um bocal para entrega de uma corrente 33 de partículas abrasivas 24 situado den- tro de um outro bocal 40 para entregar uma corrente 43 de partículas de do- pante 26, onde as correntes 33 e 43 são coaxiais. Bocais múltiplos separa- dos com dopantes e abrasivos entregues de reservatórios separados podem também ser usados, conforme indicado na figura 9C, que mostra os bocais e 40, para entregar as correntes 33 e 43 de partículas abrasivas 24 e par- tículas de dopante 26, respectivamente.

Pode ser prontamente apreciado que onde mais que um tipo de dopante é usado, os dopantes podem ser entregues de um único bocal, ou de bocais separados. Por exemplo, onde a combinação de dopantes é um agente terapêutico combinado com outra partícula (por exemplo, hidroxiapa- tita), um projeto de dois bocais pode ser usado para entrega da combinação de dopantes em um bocal e do abrasivo em um segundo bocal. Em outra concretização, uma configuração de três bocais pode ser usada onde o a- gente terapêutico é entregue por um primeiro bocal, o segundo conjunto de partículas dopantes é entregue por um segundo bocal, e o abrasivo é entre- gue por um terceiro bocal. Em uma concretização, o produto é um dispositivo médico im- plantável. Dispositivos médicos exemplares incluem catéteres, fios guia, e cestas usadas na remoção de calcificações patológicas. No caso de equi- pamentos biomédicos é desejável que o nível de impregnação do próprio abrasivo na superfície seja mínima. O abrasivo deve também ser biocompa- tível uma vez que é provável que alguma impregnação poderá ocorrer.

Em uma concretização, o produto é um metal, tal com aqueles metais escolhidos entre metais puros, ligas metálicas, intermetais compre- endendo fases única ou múltiplas, intermetais compreendendo fases amor- fas, intermetais compreendendo fase cristalina única, e intermetais compre- endendo fases policristalinas. Metais exemplares incluem titânio, ligas de titânio (por exemplo, NiTi ou nitinol), ligas ferrosas, aço inoxidável e ligas de aço inoxidável, aço de carbono, ligas de aço de carbono, alumínio, ligas de alumínio, níquel, ligas de níquel, ligas de níquel de titânio, cobalto, ligas de cobalto, metais preciosos, e ligas de metais preciosos. Em uma concretiza- ção o metal é titânio.

Em uma concretização o material abrasivo é alumina (10 Mesh) enquanto o dopante é HA com um tamanho de partícula na faixa de 0,1 a 3 μιη. O meio de mistura é alcançado misturando-se o dopante e o abrasivo entre a razão de 5:95 e 95:5 HA para sílica % em volume mas mais preferi- velmente entre a razão de 80:20 a 20:80 e mais preferivelmente ainda na razão de 60:40 a 40:60. A conta de sílica tem uma dureza Mohs na faixa de 0,1 a 10, mas mais preferivelmente na faixa de 2 a 10, e mais preferivelmen- te ainda na faixa de 5 a 10. Esse meio misturado é entregue a uma superfí- cie de titânio usando-se uma máquina de jateamento de areia padrão ope- rando na faixa de pressão de 50 kPa a 1000 kPa (0,5 bar a 10 bar), tal como uma faixa de pressão de 200 a 1000 kPa (2 a 10 Bar), ou uma faixa de pres- são de 4 Bar a 6 Bar. A distância entre o bocal e a superfície pode estar na faixa de 0,1 mm a 100 mm, tal como uma faixa de 0,1 mm a 50 mm, ou uma faixa de 0,1 mm a 20 mm. O ângulo do bocal para a superfície pode variar de 10 graus a 90 graus, tal como uma faixa de 30 graus a 90 graus, ou uma faixa de 70 graus a 90 graus. Em um outra concretização, o matéria abrasivo é sílica (10 Me- sh) enquanto o dopante é HA com uma faixa de tamanho de partícula de 0,1 a 3 μιτι. O meio de mistura é alcançado misturando-se o dopante e o abrasi- vo entre a razão de 5:95 até 95:5 HA para alumina % em peso mas mais preferivelmente entre a razão de 80:20 até 20:80, e mais preferivelmente ainda na razão de 60:40 até 40:60. A brita de alumina tem uma dureza Mohs na faixa de 0,1 a 10, tal como uma faixa de 2 a 10, ou uma faixa de 5 a 10. Esse meio misturado pode ser entregue a uma superfície de titânio usando- se uma máquina de jateamento de granalha operando na faixa de pressão de 2 a 10 bar, uma faixa de 2 a 6 Bar. A distância entre o bocal e a superfí- cie pode variar de 0,1 mm a 100 mm, tal como uma faixa de 0,1 mm a 50 mm, ou uma faixa de 0,1 mm a 20 mm. O ângulo do bocal para a superfície pode variar de 10 graus a 90 graus, tal como uma faixa de 30 graus a 90 graus, ou uma faixa de 70 graus a 90 graus. Uma pessoa perita na técnica pode notar a influência dos parâ-

metros da máquina incluindo velocidade do jato, pressão de operação, con- cretização do venturi, ângulo de incidência a distâncias da superfície para o bocal na extensão da impregnação do dopante na superfície usando esses meios misturados.

Uma pessoa perita na técnica pode apreciar o efeito do tama-

nho, da forma, da densidade e da dureza do material abrasivo usado na ex- tensão da impregnação do dopante na superfície usando-se esses meios misturados.

Uma pessoa perita na técnica pode apreciar o efeito da própria corrente de fluido, o equipamento de jateamento usando um meio gasoso (tipicamente ar), o efeito do uso de gases inertes como fluido veículo, por exemplo, N2 ou gases nobres tais como Ar e He na extensão da impregna- ção do dopante na superfície usando-se esses meios misturados.

No caso de equipamento de jateamento úmido usando um Ifqui- do como fluido veículo (normalmente água), uma pessoa perita na técnica pode apreciar o efeito da acidez e da basicidade na extensão da impregna- ção do dopante na superfície usando-se esses meios misturados. Conforme descrito aqui, os métodos descritos podem ser úteis para modificar as superfícies de equipamentos médicos. No contexto de pe- didos em equipamentos médicos, os dopantes podem ser ativos (obtendo uma resposta biológica) ou passivos (não obtendo uma resposta biológica).

Dopantes passivos podem ser transportados para aumentar a Iubricidade ou aumentar a adesão de uma camada adicionada, etc. Agentes ativos podem evocar uma resposta do tecido anfitrião in vivo, aumentando a funcionalida- de do equipamento ou da cirurgia, ou entregando um benefício como função secundária do equipamento.

O processo é um processo de deposição permitindo a adição de

material(is) a uma superfície por uma metodologia tipicamente usada para remoer material de uma superfície. Em uma concretização, o método permi- te a impregnação da superfície usando:

1. bombardeamento abrasivo para transportar um material adi-

cional sobre e/ou em uma superfície;

2. remoção de camadas de óxido de uma superfície em um am- biente inerte e a subseqüente deposição de material adicional sobre a ou na superfície antes de permitir que a superfície se oxide novamente; ou

3. uma combinação de 1 e 2 acima.

O processo pode ser usado para modificar, aumentar ou tratar

superfícies tais como mudar as características/propriedades da superfície, incluindo uma ou mais entre:

• morfologia / topografia / forma / textura / rugosidade/ mi-

croestrutura

· área da superfície

• porosidade da superfície

• estrutura - ordem/desordem de conjuntos moleculares, inclusões, vacâncias, e organização

• cristalinidade, tamanho, distribuição e orientação de cris-

tais

• química

• composição química • composição elementar

• estado químico dos elementos

• composição molecular

• grupos funcionais

· adlayers moleculares

• contaminantes casuais e impurezas

• porosidade, espessura e composição da camada óxida

• bioquímica

• performance biológica

· energia da superfície - propriedades Iipofílicas / lipofóbi-

cas

capacidade de umedecimento - propriedades lipofílicas /

lipofóbicas

• absorção - absorção física e absorção química

· propriedades elétricas - potenciais da superfície e car-

gas da superfície, constante dielétrica

• propriedades magnéticas

• propriedades óticas - reflexão ótica /absorção

• propriedades mecânicas da superfície - natureza elásti- ca/plástica das camadas da superfície, forças de tração/compressão na su- perfície

• propriedades dinâmicas da superfície - mobilidade de átomos e moléculas

O efeito na superfície é tal que para modificar a química e a to- pografia do material da superfície resulta em uma faixa infinita de manifesta- ções. A conseqüência desejada resultante do tratamento é influenciada por:

• o material do substrato e as características da superfície

• os parâmetros do processo de tratamento e as condi- ções ambientais

· o(s) abrasivo(s) e suas propriedades mecânicas e quími-

cas, tamanho, dureza, morfologia, etc.

• o(s) material(is) dopante(s) e suas propriedades quími- cas e mecânicas, quer ele seja um meio de transporte para agentes adicio- nais (por exemplo, terapias), quer seja um agente ativo ou passivo, ou um composto ou uma mistura.

• Em uma concretização, os métodos descritos aqui po- dem fornecer uma ou mais das seguintes características

• Processo à temperatura ambiente

• nenhuma degradação do(s) material(is) dopante(s) devi- do à temperatura ou processo

• capacidade de transportar agentes sensíveis à tempera- tura para a superfície intacta

• uma etapa de processo que seja produzida amigavel- mente

• nenhuma película de polímero necessária para transpor- tar agentes terapêuticos

· nenhum resultado de camada de laminado - não pode

ser lascado ou descascado

• adaptável para permitir que implantes sejam tratados pa- ra pedidos específicas

• tenha aplicação em setores individuais fora do setor de Dispositivos Médicos, por exemplo, indústrias que usem titânio, por exemplo,

o setor aeroespacial, o setor de alimentações (uso de tubos de titânio), e o setor de semicondutores, etc.

EXEMPLOS

Exemplo 1

Este exemplo descreve a modificação de um substrato de titânio

usando hidroxiapatita (HA) como dopante e contas de alumina como o abra- sivo.

Um meio misturado foi preparado consistindo em 50% em peso de alumina (White Saftigrit: tamanho da malha 150, tamanho de partícula 88 mícrons, dureza Mohs 9, Guyson International Ltd.) e 50% em peso de HA (Fluka Synthetic hydroxiapatite) (Fluka production GmbH, Buchs, Switzer- land, parte da família Sigma Aldrich). Um jateador de abrasivos Rocatec® operando a uma pressão de 500 kPa (5 bar) foi usado para jatear abrasivos e um cupom de titânio CP de 2 cm χ 2 cm (Titanium Sheet Grade 2 Medicai conforme as especificações da ASTM F 67). A distância do bocal à superfí- cie foi de 1 cm e o bocal foi mantido a 90° para a superfície. O bocal de car- boneto de silício teve um diâmetro do orifício de 1 mm e atravessou a super- fície a 2 cm por segundo. A superfície foi submetida a três passagens.

Duas outras amostras de Titânio (Titanium Sheet Grade 2 Medi- cai conforme as especificações da ASTM F 67) foram submetidas ao mesmo tratamento mas com o meio consistindo apenas de HA. As amostras foram então submetidas a um tratamento de limpe-

za envolvendo 20 minutos de lavagem ultrasônica em água desionizada para remover qualquer material que não tenha se fixado intimamente à superfície. Após a lavagem ultrasônica as amostras foram lavadas com água desioni- zada e secadas com ar em um forno a 95°C por uma hora. As amostras foram submetidas para análise XPS (espectrosco-

pia fotoeletrônica de raios-x) para determinar a concentração relativa de Ca, P, Ti, e Al em todas as superfícies. A figura 2 mostra as amplas varreduras de ambas as amostras, onde a figura 2A é uma varredura de inspeção XPS do titânio tratado com hidroxiapatita, e a figura 2b é uma varredura de inspe- ção XPS do titânio tratado com o meio misturado de 50:50 HA/alumina. Co- mo pode ser visto a concentração de Ca e P (indicativa de HA) na amostra jateada com abrasivo usando a técnica do meio misturado foi significativa- mente maior que aquelas vistas na amostra jateada com abrasivos com HA apenas. Isto é também confirmado pelas maiores varreduras de resolução das regiões estreitas. As figuras 3 e 4 mostram os níveis de núcleo de Ca 2p, P 2p e Ti 2p nas amostras com 50% de HA:50% de Alumina e com 100% de HA. Especificamente, as Figs, 3A e 3B mostram espectros XPS compara- tivos dos níveis de núcleo de Ca 2p (figura 3A) e P 2p (figura 3B) de titânio jateado com HA apenas de (linha fina) e de titânio cp jateado com 50:50 HA/alumina (linha grossa), e a figura 4 mostra os espectros XPS do nível de núcleo de Ti 2p na amostra jateada com abrasivos com 100% HA (topo) e a amostra jateada com abrasivo com uma mistura 50:50 HA/alumina (em bai- xo), indicando que o titânio é substancialmente coberto pelo HA. No caso da amostra jateada com abrasivos em meio misturado, um aumento significativo na concentração tanto de cálcio quanto de fósforo foi observada em compa- ração com amostra jateada apenas com HA. Além disso, a razão Ca:P foi descoberta ser 1:65 confirmando que o material na superfície era realmente HA.

Uma outra indicação da presença de uma camada de superfície significativa de HA foi a concentração de Ti grandemente reduzida observa- da na superfície jateada com o meio misturado em comparação com aquela observada na superfície jateada com 100% de HA indicando uma camada de HA de espessura substancial (> 10 nm). O XPS pode ser usado para cal- cular as concentrações relativas das espécies em uma superfície dentro de um erro de 10% pela normalização das áreas sob as curvas de nível de nú- cleo com RFS (Fator de Dispersão Relativa) para cada elemento. A razão atômica calculada de Ca/Ti na superfície está dada na Tabela 1. Esse valor melhor representa o nível de cobertura nas superfícies. No caso da amostra jateada com alumina/HA a concentração relativa de Ca para Ti é aproxima- damente 30 vezes aquela observada na amostra jateada com 100% de HA. Tabela 1 - Razão atômica de Ca/Ti conforme determinada pelas varreduras estreitas XPS na superfície das superfícies iateadas com abrasivo de Cp Ti

Meio de jateamento (% em pe- so/% em peso) Razão Ca/Ti Razão relativa 100% HA 0,45 0,98 100% HA 0,47 1,02 50% HA : 50% Alumina 13,43 29,20 50% HA : 50% contas de sílica 1,96 4,26 50% HA : 50% contas de sílica 2,01 4,37

Para avaliar a uniformidade do revestimento de concentração de

HA na superfície, mapas de superfície XPS (o,2 χ 0,2 mm) foram executados em ambas as amostras situadas nos picos de Ti 2P e Ca 2P, os painéis di- reito e esquerdo da figura 5 respectivamente. A uniformidade de cor obser- vada é indicativa da uniformidade de distribuição do HA no material substra- to. Esses resultados indicam que bombardeamentos simultâneos permite que o HA se torne impregnado na superfície de titânio. Além disso, dado que ambas as amostras foram submetidas a um ciclo de limpeza ultra- sônica rigorosa, é provável que o HA que permanece na superfície seja for- temente ligado ao substrato.

Exemplo 2

Esse exemplo descreve a modificação de um substrato de titâ- nio usando hidroxiapatita como dopante e contas de sílica como abrasivo.

Foi preparado um meio misturado consistindo em 50% em peso de contas de sílica (Honite: 14:75 - faixa de tamanho de partículas 150 mí- crons, dureza Mohs 5 Guyson International Ltd,) e 50% em peso de HA (Flu- ka Synthetic hydroxiapatite). Um jateador por abrasão Rocatec® operando a uma pressão de 500 kPa (5 bar) foi usado para jatear com abrasivo dois cu- pons de Titânio CP de 2 cm χ 2 cm (Titanium Steel Grade 2 Medicai confor- me as especificações da ASTM F67). A distância do bocal à superfície foi de 1 cm e o bocal foi mantido a 90° em relação à superfície. O bocal de carbo- neto de silício tinha um diâmetro de orifício de 1 mm e atravessou a superfí- cie a 2 cm por segundo. A superfície foi submetida a três passagens.

As amostras foram então submetidas a um tratamento de Iimpe- za envolvendo uma lavagem ultrasônica de 20 minutos em água desionizada para remover qualquer material que não estivesse intimamente fixado à su- perfície. Após a limpeza ultrasônica as amostras foram lavadas com água desionizada e secadas com ar em um forno a 95°C por uma hora.

As amostras foram submetidas à análise de XPS (espectrosco- pia fotoeletrônica de raios-x) para determinar a concentração relativa de Ca, Ti, P e Si nas superfícies. Uma comparação do nível de Ca 2p em uma das amostras e da amostra 100% HA jateada com abrasivo é mostrada no painel direito da figura 6. Os níveis de núcleo de P 2p em ambas as amostras estão mostrados no painel esquerdo da figura 6. No caso de meio misturado da amostra jateada com abrasivo um aumento significativo na concentração tanto de cálcio quanto de fósforo foi observado em comparação com as a- mostras jateadas apenas com HA embora não tão alto como foi o caso com o alumínio.

A razão atômica calculada de Ca/Ti nas superfícies é dada na Tabela 1. No caso da amostra jateada com contas de sílica/HA a concentra- ção relativa de Ca para Ti é aproximadamente 4 vezes aquela observada nas amostras jateadas com 100% de HA. A Tabela 1 também demonstra as capacidades de reprodução dos resultados alcançáveis com esta técnica dado que a razão Ca/Ti medida mas amostras tratadas com o mesmo meio misturado são aproximadamente as mesmas. Isto é também demonstrado na figura 7 que mostra a similaridade nas varreduras de análise das duas amostras.

Exemplo 3

Esse exemplo descreve a modificação de um substrato de titâ- nio usando hidroxiapatita/gentamicina como dopante e contas de alumina como abrasivo.

Um meio misturado foi preparado consistindo em 50% em peso

de alumina (White Saftigrit: tamanho da malha 150, tamanho de partícula 88 mícrons, dureza Mohs 9, Guyson International Ltd.), 40% em peso de HA (Fluka Synthetic hydroxiapatite) e 10% em peso de Gentamicina. Um jatea- dor Rocatec® operando a uma pressão de 500 kPa (5 bar) foi usado para jatear três cupons de titânio CP de 0,5 cm χ 0,5 cm (Titanium Sheet Grade 2 Medicai conforme as especificações da ASTM F67). Cupons de controle fo- ram jateados com HA e alumina apenas. A distância do bocal à superfície foi de 1 cm e o bocal foi mantido a 90° em relação à superfície. O bocal de car- boneto de silício tinha um diâmetro de orifício de 1 mm e atravessou a super- fície a 2 cm por segundo. A superfície foi submetida a três passagens.

As amostras foram então submetidas a um tratamento de limpe- za envolvendo 20 minutos de lavagem ultrasônica em água desionizada para remover qualquer material que não estivesse intimamente ligado à superfí- cie. Após a limpeza ultrasônica as amostras foram lavadas com água desio- nizada e secadas a ar em um forno a 40°C por uma hora.

A liberação e a atividade anti-bactericida das superfícies carre- gadas com antibióticos foi avaliada contra três espécies bacterianas [Staph- ylococcus aureus (figura 8.1), Escherichia Coli (figura 8.2) e Pseudomonas aeruginosa (figura 8.3)], identificadas como tecido peri-protético que coloni- zam elementos patogênicos oportunistas pós-operatórios e uma causa prin- cipal da corrosão de implantes, usando um método de difusão a disco de ágar.

Em breve as bactérias eram criadas a partir de culturas em infu- sões de brain heart (BHI) ágar a 37°C por 16 horas e colônias isoladas fo- ram usadas para semear culturas novas em 10 ml de Luria Broth (LB). Após incubação a 37°C por 12 a 16 horas com agitação (200 rpm), as culturas foram diluídas em um caldo Mueller Hinton (MH) para dar um OD 699 de 0,05. Um volume de 350 μΙ de cada suspensão bacteriana foi marcado u- sando extensões clínicas em chapas MH ágar contendo ágar até uma pro- fundidade de 4 mm. Seguindo isso, os cupons de material foram colocados no ágar. As chapas foram invertidas e incubadas sob condições aeróbicas (36 horas, 37°C).

A possibilidade de que o material de implante era inibidor em re- lação ao crescimento microbiano independente da atividade da Gentamicina foi eliminada usando-se as amostras de controle que não tinham antibiótico carregado na superfície (controle negativo) rotulado com 1 nas figuras 8.1, 8.2, e 8.3 respectivamente. As amostras carregadas com antibióticos são rotuladas 2 nas figuras 8.1, 8.2 e 8.3 respectivamente.

Os resultados estão mostrados na figura 8. No caso de cada um das três espécies bacterianas testadas, uma zona de inibição onde o cres- cimento bacteriano é inibido (rotulado IZ nas figs. 8.1, 8.2 e 8.3 respectiva- mente) foi vista em torno das amostras tratadas com HA/Gentamicina. Isto indica que a Gentamicina foi incorporada na superfície pelo processo e além disso que o antibiótico permanece ativo através do processo de jateamento.

Exemplo 4

Esse exemplo descreve a modificação de um substrato de titâ- nro usando hidroxiapatita/vancomicina como dopante e contas de alumina como o abrasivo.

Um meio misturado foi preparado consistindo em 67% em peso de alumina (White Saftígrit: tamanho de malha 150, tamanho de partícula 88 mícrons, dureza Mohs 9, Guyson International Ltd.), 30% em peso de HA (Fluka Synthetic hydroxyapatite) e 3% em peso de Vancomicina. Um jatea- dor Rocatec® operando a uma pressão de 500 kPa (5 bar) foi usado para jatear dezoito discos de titânio Grade 5 de 10 mm de diâmetro (Titanium 6AL-4V Sheet Medicai conforme as especificações da ASTM F136). Discos de controle foram jateados com HÁ e alumina apenas. A distância do bocal à superfície foi de 0,5 cm e o bocal foi mantido a 90° para a superfície. O bocal de carboneto de silício tem um diâmetro de orifício de 1 mm e atravessou a superfície a 2 cm por segundo. A superfície foi submetida a três passagens.

Um número de amostras foram então submetidas a um trata- mento de limpeza envolvendo 20 minutos de lavagem ultrasônica em água desionizada para remover qualquer material que não estava ligado intima- mente à superfície. Após a limpeza ultrasônica as amostras foram lavadas com água desionizada e deixadas secar a ar em um forno a 40°C por uma hora.

A liberação e a atividade antibacteriana das superfícies carrega- das com antibiótico foram avaliadas contra as espécies bacterianas Staph- ylococcus aureus (NCIMB 9518), identificadas como um tecido peri-protético que coloniza elementos patogênicos oportunistas pós-operatórios, usando um método de difusão a disco ágar. A figura 10, chapa 1, é uma fotografia da zona de inibição (IZ) em uma chapa ágar inoculada com S. aureus e ex- posta ao cupom dopado com vancomicina.

Testes foram executados de acordo com a BSAC (British Soci- ety for Antimicrobial Chemotherapy) método de Difusçao de Disco para teste de Susceptibilidade Antimicrobiana (Versão 2.1.1, Janeiro de 2002). Uma suspensão bacteriana contendo 107 CFU/ml de Staphylococcus aureus NCIMB 9518 foi preparada de culturas novas durante a noite, e 0,5 ml dessa suspensão foram espalhados homogeneamente em chapas de ágar isosert- sitest. A seguir esses cupons de material foram colocados no ágar. As cha- pas foram incubadas sob condições aeróbicas (20 horas a 37°C).

A possibilidade de que o material de implante fosse inibitória em relação ao crescimento microbiano foi eliminada usando-se amostras de controle não tendo um antibiótico carregado na superfície (controle negati- vo).

Os resultados estão mostrados na figura 10 chapa 1, conforme demonstrado por uma zona de inibição apontando para o crescimento bacte- riano inibido em torno das amostras tratadas com HA/vancomicina. Isto indi- ca que a vancomicina foi incorporada na superfície pelo processo e além disso que o antibiótico permanece ativo através do processo de jateamento.

Exemplo 5

Este exemplo descreve a modificação de um substrato de titânio

usando hidroxiapatita/tobramicina como dopante e contas de alumina como abrasivo.

Um meio misturado foi preparado consistindo em 67% em peso de alumina (White Saftigrit: tamanho de malha 150, tamanho de partícula 88 mícrons, dureza Mohs 9, Guyson International Ltd.), 30% em peso de HA (Fluka Synthetic hydroxiapatite) e 3% em peso de Tobramicina. Um jateador Rocatec® operando a uma pressão de 500 kPa (5 bar) foi usado para jatear dezoito discos de titânio Grade 5 com 10 mm de diâmetro (Titanium 6AL-4V Sheet Medicai conforme as especificações da ASTM F136). Discos de con- trole foram jateados com HA e alumina apenas. A distância do bocal à su- perfície foi de 0,5 cm e o bocal foi mantido a 90° para a superfície. O bocal de carboneto de silício tinha um diâmetro de orifício de 1 mm e atravessou a superfície a 2 cm por segundo. A superfície foi submetida a três passagens.

Um número de amostras foram então submetidas a um trata- mento de limpeza envolvendo 20 minutos de lavagem ultrasônica em água desionizada para remover quaisquer materiais que não estivesse m intima- mente ligados à superfície. Após a limpeza ultrasônica as amostras foram lavadas com água desionizada e deixadas secar ao ar em um forno a 40°C por uma hora.

A liberação e a atividade antibacteriana das superfícies carrega-

das de antibiótico foi avaliada contra as espécies bacterianas Escherichia coli (NCIMB 12210), identificada como um tecido peri-protético que coloniza elementos patogênicos oportunistas pós-operatórios, usando um método de difusão de disco de ágar. A figura 10 chapas 2 e 3 são fotografias da zona de inibição (IZ) em uma placa de ágar inoculada com E. Coli e exposta ao cupom dopado com tobramicina.

Foram executados testes conforme o método de Difusão de

Disco BSAC (British Society for Antimicrobial Chemotherapy) para o teste de Susceptibilidade Antimicrobiana (versão 2.1.1, janeiro de 1001). Uma sus- pensão bacteriana contendo 107 CFU/ml de E. Coli NCIMB 12210 foi prepa- rada a partir de culturas novas durante a noite, e 0,5 ml dessa suspensão foram espalhados homogeneamente e chapas de ágar isosensitest. Após isto os cupons de material foram colocados no ágar. As chapas foram incu- badas sob condições aeróbicas (20 horas a 37°C).

A possibilidade de que o material de implante fosse inibidor em relação ao crescimento microbiano foi eliminada usando-se amostras de controle que não tenham o antibiótico carregado na superfície (controle ne- gativo).

Os resultados estão mostrados na figura 10, chapas 2 e 3, como demonstrado por uma zona de inibição apontando para o crescimento bacte- riano inibido em torno das amostras tratadas com HAyTobramicina. Isso indi- ca que a Tobramicina foi incorporada na superfície pelo processo e além disso que o antibiótico permanece ativo através do processo de jateamento.

Exemplo 6

Esse exemplo descreve a modificação de um substrato de titâ- nio usando hidroxiapatita como dopante e abrasivos de vários tama- nhos/durezas.

Um meio misturado foi preparado consistindo em 80% em peso de abrasivo (contas de Sílica cm tamanho de partícula 50. 100 mícrons, du- reza Mohs 6, Comco Inc.; contas de alumina com tamanho de partícula 50, 100, 150 mícrons, dureza Mohs 9, Comco Inc.) e 20% em peso de HA (Fluka Synthetic hydroxiapatite). Um micro jateador Comco MB 1000 operando a uma pressão de jateamento de 551,6 kPa (551,6 kPa (80 psi)) foi usado para jatear nove discos de titânio Grade 5 com 10 mm de diâmetro (Titanium 6AL- 4V Sheet Medicai conforme as especificações da AST F136) para cada tipo de abrasivo. A distância do bocal para a superfície foi de 15 mm e o bocal foi mantido a 90° para a superfície. O bocal HP (alta performance) usado tinha um diâmetro de orifício de 0,15 cm (0,15 cm (0,060 polegada)) e atravessou a superfície a 3,175 mm/segundo. A superfície foi submetida a um passa- gem através do centro de cada disco metálico.

As amostras foram então submetidas a um tratamento de limpe- za envolvendo lavagem ultrasônica por 30 minutos em água desionizada para remover quaisquer materiais que não tenham se fixado intimamente à superfície. Após a limpeza ultrasônica as amostras foram lavadas com água desionizada e secadas ao ar em um forno a 40°C por uma hora.

As amostras foram submetidas a XPS (espectroscopia fotoele- trônica com raios-x); FTIR (Espectroscopia Infra-vermelha da Transformada de Fourier); análise da rugosidade de superfície - Stylus Profilometry; (XRD) Difração de raios-x, para determinar a concentração relativa de Ca, P e Ti na superfície de cada amostra em conjunção com as características morfológi- cas de cada amostra.

A Tabela 2 indica os resultados mostrados para titânio jateado com abrasivos de tamanhos de partícula e dureza variáveis, conforme indi- cado pelo XPS. As figuras 11A e 11B mostram a plotagem de espectros FTIR para contas de alumina duplicadas de 100 μιτι e 150 μιτι respectiva- mente.

Tabela 2 - Concentrações atômicas XPS de elementos de superfície (e ra- zão Ca:P) como função do tamanho e dureza das partículas iateadas

Elementos Controle 100 μΜ contas de vidro 50 μιτι contas de óxido de alumínio 100 μιτι contas de óxido de alumínio 150 μιτι contas de óxido de alumínio O 1s 37,78 54,80 53,38 54,71 54,12 C 1s* 44,33 20,73 24,95 23,08 24,02 N 1s 3,37 0,25 0,57 0,84 0,55 Ti 2p 5,00 0,23 1,18 1,32 0,86 Ca 2p 0,28** 14,58 12,23 12,36 11,99 Elementos Controle 100 μΜ contas de vidro 50 μιτι contas de óxido de alumínio 100 μιη contas de óxido de alumínio 150 μιτι contas de óxido de alumínio P 2p 0,29** 9,40 7,69 7,68 8,47 Al 2p 8,94*** - - - - Razão Ca/P n/a 1,55 1,61 1,61 1,42

* Nível casual de Carbono normal no Titânio e suas ligas - pode ser maior dependendo dos processos de formação/produção experimentados.

** HA casual devido a contaminação cruzada de amostras tratadas *** Alumínio na liga TiAI4V6 (Titânio Grade 5) A figura 11A mostra espectros FTIR de amostras de contas de

alumina duplicadas de 100 μιη (a) e (b), e a figura 11B mostra espectros FTIR de amostras de contas de alumina duplicadas de 150 μηη (a) e (b).

A Tabela 3 indica os resultados mostrados para abrasivos de tamanhos de partícula e durezas variáveis, conforme indicado pela Stylus profilometry.

Tabela 3 - Stylus Profilometry da topografia da superfície mostrado a rugo- sidade em função do tamanho e dureza da partícula iateada

100 μΜ con- tas de vidro 50 μηι contas de óxido de alumínio 100 μιη con- tas de óxido de alumínio 150 μηι con- tas de óxido de alumínio Rugosidade média de superfície (μΜ) 0,35 0,37 0,62 0,61 Desvio pa- drão 0,06 0,03 0,05 0,02

As figuras 12A e 12B mostram padrões XRD para amostras de

contas de alumina de 50 μηη e 100 μιτι respectivamente.

Os dados indicam que variando-se o tamanho e a dureza do

meio abrasivo resultará na variação da morfologia da superfície conforme esperado, mas também em diferenças na quantidade e na cobertura de Hi- droxiapatita na camada. Exemplo 7

0 exemplo descreve a modificação de um substrato de titânio pela entrega de hidroxiapatita como dopante em uma corrente de partículas e contas de alumina como abrasivo em uma corrente de partículas separada usando um bocal duplo enquanto se varia os parâmetros de jateamento e a razão do abrasivo para o dopante.

Uma experiência foi conduzida para controlar a uniformidade do fluxo de materiais abrasivos e dopantes para a superfície sendo tratada pelo carregamento dos materiais nos reservatórios de duas unidades de microja- teamento Comco MB 1000 alimentando bocais separados visando o mesmo ponto na superfície, como mostrado na figura 9C. Os parâmetros a seguir foram variados; diâmetros dos bocais, distância do bocal até a superfície, pressão de jateamento, ângulo de incidência e a razão do abrasivo para o dopante no ponto de contato com o substrato (ver Tabela 4: variações dos parâmetros de teste para estudar o efeito na deposição de HA e na topogra- fia da superfície). Contas de alumina com tamanho de partícula de 100 mí- crons, (dureza Mohs 9, Comco Inc.) foram usadas em todos os testes. O Synthetic HA (Glantreo Ltd. Cork, Ireland) usado tinha um tamanho de partí- cula na faixa de 20 a 60 mícrons. Nove discos de titânio Grade 5 com 10 mm de diâmetro (Titanium 6AL-4V Sheet Medicai conforme as especificações da ASTM F136) foram tratadas por cada execução. A superfície foi submetida a um passagem através do centro de cada disco metálico a uma taxa de ali- mentação de 3,175 mm/segundo.

Tabela 4 - Variações dos parâmetros de teste para estudar o efeito na de- posição de HA e na topografia da superfície

Cor- A: diâmetro B: distância C: pressão D: ângulo E: razão do rida do bocal do bocal de jatea- de incidên- abrasivo mento cia para o do- pante 1 30 12 95 90 70:30 2 30 18 95 45 90:10 3 60 18 60 90 90:10 4 30 18 95 90 90:10 Cor- rida A: diâmetro do bocal B: distância do bocal C: pressão de jatea- mento D: ângulo de incidên- cia E: razão do abrasivo para o do- pante 46 15 80 67,5 80:20 6 30 12 95 45 70:30 7 60 12 60 90 70:30 8 30 12 60 45 90:10 9 30 18 60 90 70:30 60 18 95 45 70:30 11 60 12 60 45 70:30 12 60 18 60 45 90:10 13 30 12 60 90 90:10 14 60 12 95 90 90:10 60 12 95 45 90:10 16 30 18 60 45 70:30 17 60 18 95 90 70:30

As amostras foram então submetidas a um tratamento de limpe-

za envolvendo 20 minutos de lavagem ultrasônica em água desionizada para remover quaisquer materiais que não estivessem intimamente fixados à su- perfície. Após a limpeza ultrasônica as amostras foram lavadas com água desionizada e secadas ao ar em um forno a 40°C por uma hora.

As amostras foram submetidas a XPS (espectroscopia fotoele- trônica de raios-x); FTIR (Espectroscopia infra-vermelha da Transformada de Fourier); análise da rugosidade da superfície - Stylus Profilometry; para de- terminar a concentração relativa de ca, P, e Ti na superfície de cada amostra em conjunção com as características morfológicas de cada amostra. Resul- tados para a análise XPS estão mostradas na Tabela 5 e os resultados para a Stylus Profilometry estão mostrados na Tabela 6. φ "σ

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Controle de pó de HA Concentração atômica (%) Pico Posição BE (eV) Ponto A Ponto B O 1s 532,5 38,02 40,29 Ca 2p 346,5 13,08 13,72 C 1s 285 41,58 38,65 P 2p 133,5 7,31 7,34 Razão Ca:P 1,79 1,87 co L-

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0,54 0,04 cd 0,48 0,04 lo 0,55 SOO -«t 0,53 0,02 co 0,51 0,03 cg 0,55 0,04 - 0,53 0,01 ο 0,57 0,04 σ> 0,43 0,03 00 0,46 0,02 γ^ 0,51 0,03 co 0,41 0,03 io 0,55 0,02 0,40 0,03 co 0,59 0,05 cg 0,46 0,03 - 0,50 0,02 Elemento Rugosidade média de superfície (μΜ) Desvio pa- drão

42 Os dados indicam que variando-se os parâmetros de jateamento e a razão do abrasivo para o dopante, como esboçado na experiência, resul- ta na variação da morfologia da superfície conforme esperado, mas também em diferenças na quantidade e cobertura de hidroxiapatita na camada. Os dados de controle do HA indicam que o processo não tem um efeito prejudi- cial na qualidade do HA conforme exemplificado pelos dados da razão Ca: P (cálcio para fosfato), como mostrado na figura 13, XPS Survey Spectra para controle de HA duplicado.

Exemplo 8

Esse exemplo descreve a modificação de um substrato de aço

inoxidável e de um substrato de titânio Grade 2 usando hidroxiapatita como dopante e contas de alumina como o abrasivo.

Um meio misturado foi preparado consistindo em 80% em peso de alumina (White Saftigrit: tamanho de malha 150, tamanho de partícula 88 mícrons, dureza Mohs 9, Guyson International Ltd) e 20% em peso de HA (Synthetic HA, tamanho de partícula 20 - 60 mícrons, Glantreo Ltd., Cork, Irlanda). Um jateador Rocatec® operando a uma pressão de 500 kPa (5 bar) foi usado para jatear um tubo de aço inoxidável (Aço inoxidável Medicai Grade conforme as especificações da ASTM 1586) usado para produzir stents cardíacos) e chapa de titânio Grade 2 (Titanium sheet Grade 2 Medi- cai conforme as especificações da ASTM F67). A distância do bocal para a superfície foi de 0,5 cm e o bocal foi mantido a 90° para a superfície. O bocal de carboneto de silício teve um diâmetro de orifício de 1 mm e atravessou a superfície a 2 cm por segundo. A superfície foi submetida a três passagens. A amostra foi então submetida a um tratamento de limpeza en-

volvendo lavagem ultrasônica por 20 minutos em água desionizada para re- mover qualquer material que não tivesse se fixado intimamente na superfí- cie. Após a limpeza ultrasônica as amostras foram lavadas com água desio- nizada e secadas com ar em um forno a 40°C por uma hora. As amostras foram submetidas a uma análise SEM/EDX (Mi-

croscópio de varredura eletrônica/ Raios-x de Energia Dispersiva) e análise AFM para determinar se o HA foi fixado às superfícies de ambos os materi- ais. As Figuras 14 (SEM) e 15 (EDX) mostram uma camada de HA bem fixa- da na superfície da amostra de aço inoxidável que dá boa cobertura confor- me indicado na Tabela 8, com uma espessura de até 6,5 mícrons (vide figu- ra 14). Conforme esperado o Titânio CP revelou uma camada aderente de HÁ, vide figura 16 (SEM) e figura 17 (EDX), enquanto a Tabela 9 mostra a análise elementar da superfície. A figura 18 (AFM) mostra que a camada de HA fixada tem uma espessura de 7 mícrons.

Tabela 8: Análise elementar da interface HA-aço inoxidável

Elemento % em peso % atômico C 33,19 43,85 O 47,78 47,39 Al 2,12 1,25 Si 0,58 0,33 P 6,14 3,14 Ca 10,19 4,04 Razão Ca/P = 1,28 Tabela 9: Análise elementar da interface HA-titânio Elemento % em peso % atômico O 33,76 58,38 P 6,41 5,73 Ca 11,81 8,15 Ti 48,02 27,73

Razão Ca/P = 1,42

Exemplo 9

O exemplo descreve a modificação de um substrato de titânio usando contas de alumina como abrasivo e uma sílica nanoporosa como dopante. A sílica nanoporosa é conhecida como um veículo de eluição de fármacos adequado.

Foi preparado um meio misturado consistindo em 50% em vo- lume de alumina (tamanho de partícula 100 mícrons, dureza Mohs 9, Comco Inc.) e 50% em volume de Sílica mesoporosa (tamanho de partícula de a- proximadamente 1 mícron; tamanho do poro 10 nanômetros, Glantreo Ltd., Cork, Irlanda). Um micro jateador Comco MB 1000 operando a uma pressão de jateamento de 551,6 kPa (551,6 kPa (80 psi)) foi usado para jatear nove discos de titânio Grade 5 com 10 mm de diâmetro (Titanium 6AL-4V Sheet Medicai conforme as especificações da ASTM F136). A distância do bocal para a superfície foi de 15 mm e o bocal foi mantido a 90° para a superfície.

O bocal HP (alta performance) usado tinha um diâmetro de orifício de 0,15 cm (0,15 cm (0,060 polegada)) e atravessou a superfície a 3,175 mm por segundo. A superfície foi submetida a um passo através do centro de cada disco.

As amostras foram então submetidas a um tratamento de Iimpe- za envolvendo lavagem ultrasônica por 20 minutos com água desionizada para remover qualquer material que não tenha se fixado intimamente à su- perfície. Após a limpeza ultrasônica as amostras foram lavadas com água desionizada e secadas ao ar em um forno a 40°C por uma hora.

As amostras foram submetidas à análise SEM (microscópio de varredura eletrônica) para determinar a presença de micropartículas de sílica na superfície do Titânio Grade 5. A Figura 19 mostra as partículas fixadas na superfície.

Exemplo 10

Esse exemplo descreve a modificação de substratos de alumí- nio e nitinol com um HA nanoporoso (um veículo de eluição de fármacos) como dopante e contas de alumina como abrasivo.

Foi preparado um meio misturado consistindo em 90% em peso de alumina (White Saftigrit: amanho de malha 150, tamanho de partícula 88 mícrons, dureza Mohs 9, Guyson International Ltd) e 10% em peso de HA nanoporoso (tamanho médio de partícula 50 mícrons; partículas irregulares não-esféricas; tamanho de poro 3-4 nanômetros, Glantreo Ltd., Cork, Ire- land). Um jateador Rocatec® operando a uma pressão de 500 kPa (5 bar) foi usado para jatear Alumínio e Nitinol. A distância do orifício para a superfície foi de 0,5 cm e o bocal foi mantido a 90° para a superfície. O bocal de car- boneto de silício tinha um diâmetro de orifício de 1 mm e atravessou a super- fície a 2 cm/segundo.a superfície foi submetida a três passagens.

As mostras foram então submetidas a um tratamento de limpeza envolvendo lavagem ultrasônica por 20 minutos em água desionizada para remover qualquer material que não esteja intimamente fixado à superfície. Após a limpeza ultra-sõnica as amostras foram lavadas com água desioni- zada e secadas ao ar em um forno a 40°C por uma hora.

As amostras foram submetidas à análise SEM (Microscópio de varredura eletrônica) para determinar a presença de HA nanoporoso nas superfícies de alumínio de nitinol. As figuras 20A e 20B são imagens SEM da camada de HA nanoporoso na superfície de alumínio, e a figura 21 é uma imagem de SEM da camada de HA nanoporoso na superfície de nitinol.

Claims (47)

1. Um método para tratar um substrato metálico, compreenden- do: remover um oxido metálico de uma superfície do substrato me- tálico pelo jateamento abrasivo da superfície do oxido metálico para expor a superfície metálica; e entregar partículas compreendendo um dopante através de pelo menos um jato fluido à superfície metálica para impregnar a superfície do substrato com o dopante.

2. Um método conforme reivindicado na reivindicação 1, onde a remoção é executada sob uma atmosfera inerte.

3. Um método conforme reivindicado na reivindicação 1, onde a remoção é executada substancialmente simultaneamente com a entrega de modo que a superfície metálica não é substancialmente oxidada antes da entrega.

4. (cancelada)

5. Um método conforme reivindicado na reivindicação 1, onde a etapa de jatear abrasivamente é selecionada entre jateamento abra- sivo, micro jateamento, jateamento com jato de água, e jateamento por mar- telamento ("shoot peening").

6. Um método conforme reivindicado na reivindicação 1, onde a etapa de jatear abrasivamente é executada simultaneamente com a etapa de entrega das partículas contendo o dopante.

7. Um método de tratar um substrato metálico, compreendendo: remover um óxido metálico de uma superfície do substrato me- tálico para expor uma superfície metálica; e entregar partículas compreendendo um dopante através de pe- lo menos um jato fluido para a superfície metálica para impregnar a superfí- cie do substrato com o dopante. onde ao remoção é selecionada entre pelo menos uma etapa de perfuração, corte, conformação, moagem, micro-usinagem, fricção, tritu- ração, polimento e erosão.

8. Um método de tratamento de um substrato metálico compre- endendo: remover um óxido metálico de uma superfície do substrato me- tálico para expor uma superfície metálica; e entregar partículas compreendendo um dopante través de pelo menos um jato fluido para a superfície metálica para impregnar a superfície do substrato com o dopante; onde a remoção é selecionada de pelo menos uma etapa entre causticação ácida, causticação alcalina, e tratamento com peróxido de hi- drogênio.

9. Um método de tratamento de um substrato metálico, compre- endendo: remover um óxido metálico de uma superfície do substrato me- tálico para expor uma superfície metálica; e entregar partículas compreendendo um dopante através de pe- lo menos um jato fluido para a superfície metálica para impregnar a superfí- cie do substrato com o dopante; onde a remoção compreende um tratamento a laser seleciona- do entre ablação, marcação/causticação, corte e revestimento.

10. Um método de tratamento de um substrato metálico, com- preendendo: remover um óxido metálico de uma superfície do substrato me- tálico para expor uma superfície metálica; e entregar partículas compreendendo um dopante através de pe- Io menos um jato fluido para a superfície metálica para impregnar a superfí- cie do substrato com o dopante; onde a remoção compreende um tratamento com plasma sele- cionado entre causticação e limpeza.

11. Um método conforme reivindicado em qualquer uma das rei- vindicações precedentes, onde o substrato é selecionado entre titânio, aço inoxidável, alumínio e nitinol.

12. Um método de tratamento da superfície de um produto, o método compreendendo: Entregar substancialmente simultaneamente um primeiro con- junto de partículas compreendendo um dopante e um segundo conjunto de partículas compreendendo um abrasivo através de pelo menos um jato fluido para uma superfície de um produto para impregnar a superfície do produto com o dopante.

13. Um método conforme reivindicado em qualquer reivindica- ção precedente, onde o pelo menos um jato fluido é selecionado entre jatea- dores, máquinas de jateamento de água abrasiva, e máquinas de jateamen- to por martelamento ("shoot peening") úmido.

14. Um método conforme reivindicado em qualquer reivindi- cação precedente, onde o pelo menos um jato fluido é selecionado entre máquinas de jateamento por martelamento ("shoot peening") seco, jateado- res secos, roda abrasiva, jateadores abrasivos, jateadores de areia, e micro- jateadores.

15. Um método conforme reivindicado em qualquer reivindica- ção precedente, ode o pelo menos um jato fluido opera a uma pressão vari- ando de 0,5 a 100 bar.

16. Um método conforme reivindicado em qualquer reivindica- ção precedente, ode o pelo menos um jato fluido opera a uma pressão vari- ando de 1 a 30 bar.

17. Um método conforme reivindicado em qualquer reivindica- ção precedente, ode o pelo menos um jato fluido opera a uma pressão vari- ando de 1 a 10 bar.

18. Um método conforme reivindicado em qualquer reivindica- ção precedente, ode o pelo menos um jato fluido opera a uma pressão vari- ando de 0,5 a 100 bar.

19. Um método conforme reivindicado em qualquer reivindica- ção precedente, ode o pelo menos um jato fluido opera a uma pressão vari- ando de 1 a 30 bar.

20. Um método conforme reivindicado em qualquer reivindica- ção precedente, ode o pelo menos um jato fluido opera a uma pressão vari- ando de 3 a 10 bar.

21. Um método conforme reivindicado em qualquer uma das rei- vindicações 12 a 20, onde o produto é um metal.

22. Um método conforme reivindicado na reivindicação 21, onde o metal é escolhido entre metais puros, ligas metálicas, intermetais compre- endendo fases única ou múltiplas, intermetais compreendendo fases cristali- nas únicas, e intermetais compreendendo fases policristalinas.

23. Um método conforme reivindicado nas reivindicações 21 ou 22 , onde o metal é selecionado entre titânio, ligas de titânio, ligas ferrosas, aço inoxidável, ligas de aço inoxidável, aço de carbono, ligas de aço de car- bono, alumínio, ligas de alumínio, níquel, ligas de níquel, ligas de níquel titâ- nio, tântalo, ligas de tântalo, nióbio, ligas de nióbio, cromo, ligas de cromo, cobalto, ligas de cobalto, metais preciosos, e ligas de metais preciosos.

24. Um método conforme reivindicado em qualquer das reivindi- cações 12 a 23, onde o metal é selecionado entre titânio, alumínio, aço ino- xidável, e nitinol.

25. Um método conforme reivindicado em qualquer reivindica- ção precedente, onde o produto é um dispositivo médico implantável.

26. Um método conforme reivindicado em qualquer reivindica- ção precedente, onde o produto é selecionado entre um catéter, fios guia, e cestas usadas na remoção de calcificações patológicas.

27. Um método conforme reivindicado em qualquer reivindica- ção precedente, onde as partículas são entregues em um fluido veículo ga- soso.

28. Um método conforme reivindicado na reivindicação 27, onde o fluido veículo é selecionado entre nitrogênio, hidrogênio, argônio. Hélio, ar, óxido de etileno, e suas combinações.

29. Um método conforme reivindicado em qualquer reivindica- ção precedente, onde as partículas são entregues em um fluido veículo Ii- quido.

30. Um método conforme reivindicado na reivindicação 29, on- de o líquido é também um líquido de causticação.

31. Um método conforme reivindicado na reivindicação 30, on- de o líquido de causticação é básico.

32. Um método conforme reivindicado na reivindicação 30, on- de o líquido de causticação é ácido.

33. Um método conforme reivindicado em qualquer das reivin- dicações 12 a 32, onde a entrega é executada em um ambiente inerte.

34. Um método conforme reivindicado em qualquer das reivindi- cações 5, 6, e 12 a 33, onde o abrasivo é selecionado entre sílica, alumina, zircônia, titanato de bário, titanato de cálcio, titanato de sódio, óxido de titâ- nio, vidro, vidro biocompatível, diamante, carboneto de silício, fosfato de cál- cio, carbonato de cálcio, pós metálicos, arames metálicos, compostos de fibra de carbono, polímeros, compostos poliméricos, titânio, aço inoxidável, aço endurecido, ligas de cromo.

35. (Emendada) Um método conforme reivindicado em qualquer uma das reivindicações 5, 6, e 12 a 34, onde o abrasivo tem um modus de dureza variando de 0,1 a 10.

36. (Emendada) Um método conforme reivindicado em qualquer uma das reivindicações 5, 6 e 12 a 34, onde o abrasivo tem um modus de dureza variando de 1 a 10.

37. (Emendada) Um método conforme reivindicado em qualquer uma das reivindicações 5, 6 e 12 a 34, onde o abrasivo tem um modus de dureza variando de 5 a 10.

38. (Emendada) Um método conforme reivindicado em qual- quer uma das reivindicações 5, 6 e 12 a 37, onde o abrasivo tem um tama- nho de partícula variando de 0,1 μιη a 10000 μηι.

39. (Emendada) Um método conforme reivindicado em qualquer uma das reivindicações 5, 6 e 12 a 37, onde o abrasivo tem um tamanho de partícula variando de 1 μιτι a 5000 μιη.

40. (Emendada) Um método conforme reivindicado em qualquer uma das reivindicações 5, 6 e 12 a 37, onde o abrasivo tem um tamanho de partícula variando de 10 μηι a 1000 μιη.

41. Um método conforme reivindicado em qualquer uma das reivindicações precedentes, onde o dopante é selecionado entre polímeros, metais, cerâmicas e suas combinações.

42. Um método conforme reivindicado em qualquer uma das rei- vindicações precedentes, onde o dopante compreende dois ou mais materi- ais diferentes.

43. Um método conforme reivindicado em qualquer uma das rei- vindicações precedentes, onde o dopante é um óxido metálico

44. Um método conforme reivindicado em qualquer uma das rei- vindicações precedentes, onde o dopante é selecionado entre titanato de bário, titanato de cálcio, titanato de sódio, zeólitos, zeólitos siliciosos, zeóli- tos contendo fósforo, sílica, alumina, zircônia, carbonato de cálcio, vidro bio- compatível, vidro de fosfato de cálcio, e dióxido de titânio.

45. Um método conforme reivindicado em qualquer uma das rei- vindicações precedentes, onde o dopante é um agente osteocondutor ou osteointegrador.

46. Um método conforme reivindicado na reivindicação 45, onde o agente osteocondutor ou osteointegrador é selecionado entre fosfatos de cálcio modificados.

47. Um método conforme reivindicado na reivindicação 45, onde o agente osteocondutor ou osteointegrador é selecionado entre Ca5(PO4)3OH,