UNIVERSIDADE POSITIVO MESTRADO PROFISSIONAL EM ODONTOLOGIA CLÍNICA

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1 UNIVERSIDADE POSITIVO MESTRADO PROFISSIONAL EM ODONTOLOGIA CLÍNICA CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL E TOPOGRÁFICA DE DIFERENTES TRATAMENTOS DE SUPERFÍCIE DE LIGA EM TITÂNIO CIRÚRGICA PARA IMPLANTES ODONTOLÓGICOS LEILA ABDUL CARIMO MARINO Dissertação apresentada à Universidade Positivo como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Odontologia pelo programa de Mestrado Profissional em Odontologia Clínica. Orientador: Profa. Dra. Carla Castiglia Gonzaga Co-orientador: Profa. Dra. Tatiana Mirada Deliberador CURITIBA 2010 i

2 Dados Internacionais de catalogação na Publicação (CIP) Biblioteca da Universidade Positivo- Curitiba PR M339 Marino, Leila Abdul Carimo. Caracterização microestrutural e topográfica de diferentes tamanhos de superfície em liga de titânio cirúrgica para implantes odontológicos / Leila Abdul Carimo Marino. Curitiba : Universidade Positivo, p. : il. Dissertação (mestrado) Universidade Positivo, Orientadora : Profª. Dra. Carla Castiglia Gonzaga. 1. Implantes dentários. 2. Ligas de titânio. 3. Odontologia. I. Título. CDU ii

3 DEDICATÓRIA Dedico este trabalho em especial à minha mãe, por toda sua dedicação, esforço, motivação e inspiração em toda minha vida. E, em geral, à minha família pelo carinho especial que sempre me passaram. iv

4 AGRADECIMENTOS Agradeço em primeiro lugar à Deus, por tudo em minha vida, incluindo uma família formidável, em especial a minha mãe, por todo apoio e incentivo a estudar. À minha orientadora, Profa. Dra. Carla Castiglia Gonzaga por ter aceito, orientado e corrigido a minha dissertação, também pela sua presença, imenso carinho e força em todos aspectos. À Profa. Dra. Tatiana Miranda Deliberador, por sua presença e ajuda durante a pesquisa, sem contar que foi o primeiro contato que houve para admissão aqui no Brasil. Ao Prof. Dr. João César Zielak, por toda sua ajuda na parte prática do trabalho e contato com a empresa que forneceu o material. À Kopp, pela confecção dos espécimes utilizados no trabalho. À Universidade Positivo, à todos os professores, pela oportunidade por ter sido admitida e poder frequentar o curso de Mestrado em Odontologia. v

5 À Profa. Dra. Neide Kazue Kuromoto, do Departamento de Física da Universidade Federal do Paraná, por ter ajudado na microscopia de força atômica. A todos os amigos e colegas que, de certa forma, fizeram parte direta e indiretamente da minha vida, e sempre me apoiaram e com o companheirismo tornaram a jornada mais agradável. À Silvana e sua família, por terem me recebido e me fazerem parte de sua família. O meu muito obrigado a todos vocês, sem vocês eu não seria nada. vi

6 EPÍGRAFE A adversidade desperta em nós capacidades que, em circunstâncias favoráveis, teriam ficado adormecidas. Horacio vii

7 Marino LAC. Caracterização microestrutural e topográfica de diferentes tratamentos de superfície de liga de titânio cirúrgica para implantes odontológicos [Dissertação de Mestrado]. Curitiba: Universidade Positivo; RESUMO O objetivo deste trabalho foi realizar a caracterização microestrutural e topográfica da superfície de uma liga de titânio cirúrgica para a confecção de implantes odontológicos com diferentes tipos de tratamento de superfície, por meio de microscopia eletrônica de varredura, microscopia de força atômica e avaliação da rugosidade. Para cada grupo, seis discos de uma liga de titânio cirúrgica (Ti-6Al-4V, grau V) foram produzidos por um fabricante nacional de implantes odontológicos e tiveram toda sua superfície modificada por quatro diferentes tratamentos de superfície, realizados pelo próprio fabricante. Todos os grupos tiveram sua superfície jateada com óxido de alumínio, foram limpas e as amostras foram então divididas em quatro grupos, de acordo com o tipo de condicionamento ácido utilizado: G1 imersão em imersão em solução ácida padrão: água deionizada (67%), ácido nítrico (30%) e ácido fluorídrico (3%) (grupo controle); G2 imersão em acetona, seguida pela imersão em imersão solução ácida padrão; G3 imersão em acetona, seguida pela imersão em solução ácida padrão, seguida pela imersão em ácido nítrico; G4 imersão em acetona, seguida pela imersão em solução ácida padrão, seguida pela imersão em ácido sulfúrico. As amostras passaram então por um novo procedimento de limpeza. Para o ensaio de rugosidade, foram feitas três leituras para cada amostra em sentidos diferentes para a determinação dos parâmetros Ra, Rz e Ry. As amostras também foram caracterizadas em microscopia eletrônica de varredura e em microscopia de força atômica. Os dados de rugosidade foram analisados estatisticamente utilizando-se ANOVA e teste de Tukey com nível de significância de 5%. Com relação aos parâmetros de rugosidade Ra, Rz e Ry, não foram viii

8 encontradas diferenças estatisticamente significantes para os quatro tratamentos de superfície, indicando que um padrão de rugosidade similar foi criado para todos os grupos. As superfícies analisadas em microscopia eletrônica de varredura apresentaramse bastante irregulares, com a presença de uma micro-rugosidades e de partículas depositadas ou impregnadas na superfície de maneira uniforme, sendo que o grupo 1 foi o que apresentou maior quantidade destas partículas. As imagens e perfis topográficos obtidos por meio de microscopia de força atômica mostraram que, para todos os grupos, as superfícies analisadas apresentaram níveis elevados de rugosidade. Palavras-chave: liga de titânio, implante dentário, tratamento de superfície, rugosidade, microscopia eletrônica de varredura, microscopia de força atômica. ix

9 Marino LAC. Microstructural and topographical characterization of different surface treatments of a surgical titanium alloy used for dental implants [Dissertação de Mestrado]. Curitiba: Universidade Positivo; ABSTRACT The aim of this study was to perform a microstructural and topographical characterization of a surgical titanium alloy for the manufacture of dental implants submitted to different surface treatments using scanning electron microscopy, atomic force microscopy and roughness evaluation. For each group, six disks of a surgical titanium alloy (Ti-6Al-4V, grade V) were produced by a domestic manufacturer of dental implants and they all had their surfaces modified by four different surface treatments, performed by the manufacturer. All the groups had their surfaces blasted with aluminum oxide, the specimens were cleaned and were then divided into four groups according to the type of acid used: G1 - immersion in a standardized acid solution: deionized water (67%), nitric acid (30%) and hydrofluoridric acid (3%) (control group); G2 - immersion in acetone, followed by immersion in a standardized acid solution; G3 - immersion in acetone, followed by immersion in a standardized acid solution, followed by immersion in nitric acid; G4 - immersion in acetone, followed by immersion in a standardized acid solution, followed by immersion in sulfuric acid. All samples were then subjected to a cleaning procedure. For the roughness test, three readings were made for each specimen in different directions to determine the Ra, Rz and Ry parameters. The specimens were also characterized by scanning electron microscopy and atomic force microscopy. The roughness data were statistically analyzed using ANOVA and Tukey s tests with a significance level of 5%. Regarding the roughness parameters Ra, Ry and Rz, no statistically significant differences were found for the four groups, indicating that a similar pattern of roughness was created for x

10 all surface treatments. The surfaces analyzed under scanning electron microscopy were quite irregular with the presence of a micro-roughness and particles uniformly deposited or impregnated on the surfaces. Group 1 presented the greatest amount of these particles. The images and topographic profiles obtained by atomic force microscopy showed that, for all groups, the areas analyzed showed high levels of roughness. Key words: titanium alloy, dental implants, surface treatment, roughness, scanning electron microscopy, atomic force microscopy. xi

11 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO REVISÃO DE LITERATURA PROPOSIÇÃO MATERIAL E MÉTODOS Confecção dos espécimes e tratamentos de superfície Ensaio de rugosidade Microscopia eletrônica de varredura Microscopia de força atômica Análise estatística RESULTADOS Rugosidade Microscopia eletrônica de varredura Microscopia de força atômica DISCUSSÃO CONCLUSÕES 37 REFERÊNCIAS 38 xii

12 1. INTRODUÇÃO O conceito de osseointegração, definida como a união anatômica e funcional direta entre o osso vivo remodelado e a superfície do implante capaz de receber cargas funcionais, foi introduzido pela primeira vez por Branemark na década de 1960 e modificou a Odontologia trazendo novos parâmetros para a reposição de elementos dentais perdidos (Branemark et al., 1969). Os implantes odontológicos osseointegrados são um tratamento bem aceito pelos pacientes e são atualmente considerados como uma modalidade previsível de reabilitação funcional dos pacientes parcial e totalmente edêntulos, uma vez que a literatura odontológica reporta taxas de sobrevivência de implantes odontológicos maiores que 95% para 10 anos e maiores que 92% para 15 anos (Adell et al., 1990). Em 1981, Albrektsson e colaboradores indicaram os seis fatores mais importantes para o estabelecimento da osseointegração, sendo eles, o material, o desenho e a qualidade da superfície do implante, a condição óssea, a técnica cirúrgica empregada e as condições de carga aplicada sobre os implantes após a sua instalação. A qualidade da superfície de um implante depende de propriedades químicas, físicas, mecânicas e topográficas. As superfícies dos implantes podem ser somente usinadas e limpas, porém, várias modificações da superfície dos implantes odontológicos têm sido usadas para melhorar a quantidade e a qualidade da interface osso-implante, uma vez que as características macroscópicas dos implantes podem influenciar os eventos celulares que ocorrem na interface osso-implante e são críticos para a longevidade clínica desta modalidade de tratamento (Bowers et al., 1992; Schwartz et al.,1996). De maneira geral, tratamentos que modificam a superfície dos implantes resultam em aumento da rugosidade superficial. Alguns estudos têm demonstrado que diversos 1

13 níveis de osseointegração, medidos pela porcentagem de área de contato direto entre osso e implante, estão fortemente correlacionados com o grau de rugosidade da superfície do implante (Piatelli et al., 1998; Novaes et al., 2002; Shalabi et al., 2006). O aumento da rugosidade da superfície dos implantes aumenta o embricamento mecânico entre as macromoléculas da superfície do implante e do osso e, correlacionada a uma maior energia de superfície, também estimula uma maior e mais rápida osseointegração, uma vez que as biomoléculas do tecido do hospedeiro podem adaptar-se mais firmemente à superfície do implante (Baier e Meyer, 1988). Diversos tratamentos de superfície têm sido descritos na literatura odontológica. Dentre os mais comuns, pode-se destacar o condicionamento ácido das superfícies usinadas, o jateamento com partículas de diferentes durezas e granulações e a associação de ambos os métodos, além da incorporação de uma camada superficial de hidroxiapatita e aplicação de um spray de plasma de titânio (Novaes et al., 2002; Coelho et al., 2009). Apesar de a literatura odontológica indicar que alguns tratamentos de superfície promovem uma osseointegração mais rápida dos implantes de titânio, mais estudos se fazem necessários para o desenvolvimento de superfícies com características ainda mais favoráveis à osseointegração. 2

14 2. REVISÃO DA LITERATURA A osseointegração requer a utilização de implantes confeccionados com material e superfície atrativos à deposição óssea. O titânio comercialmente puro é o material de escolha para a confecção dos implantes endósseos, pois é um metal que possibilita uma reação tecidual favorável, apresenta estabilidade química dos componentes, estimula a atividade celular na formação da matriz óssea, tem elevada resistência à corrosão e não provoca reações de hipersensibilidade ou imunológicas (Steinemann, 1998). As boas propriedades com relação à resistência à corrosão e à biocompatibilidade do titânio se devem à formação de uma fina camada de óxidos na sua superfície, quando este material é exposto ao ar (Lautenschlager e Monaghan, 1993). Atualmente, as crescentes demandas clínicas para o carregamento precoce de implantes osseointegrados e de sua instalação bem-sucedida em regiões ósseas comprometidas tem feito com que a maioria dos fabricantes trabalhe para a obtenção de uma superfície que possa levar a um processo mais rápido de osseointegração (Albrektsson e Wennerberg, 2004b). No início da Implantodontia, após a usinagem (torneamento) do implante, sua superfície era apenas limpa e o implante embalado e esterilizado antes da instalação. Em geral, após a usinagem, a superfície do implante apresenta sulcos periódicos, que variam com base nos equipamentos para torneamento utilizados, dependendo, por exemplo, do tipo de torno e do ângulo de corte em relação ao substrato do implante. Este procedimento normalmente leva a formação de uma superfície limpa e com pouca rugosidade, com valores de Ra (rugosidade média) aproximadamente entre 0,4 e 0,8 µm, que, de acordo com protocolo clássico, exige vários meses para osseointegração. Esta superfície, apenas usinada, foi considerada como o padrão ouro para tratamentos de superfície durante décadas (Coelho et al., 2009). 3

15 Apesar do uso bem-sucedido da superfície usinada, a literatura tem demonstrado que a modificação da topografia de superfície (especialmente se os valores de Ra ficarem entre 0,5 e 2 µm) tende a aumentar não só o contato osso-implante, mas também a interação biomecânica na interface durante os primeiros momentos após a instalação (Albrektsson e Wennerberg, 2004a). É preciso ressaltar que a maioria dos implantes comerciais atuais apresentam valores de Ra entre 1 e 2 µm (Albrektsson e Wennerberg, 2004a) e que os efeitos destas características superficiais na osteocondução e aposição óssea sobre a superfície do implante ainda precisam ser melhor estudados (Coelho et al., 2009). Estudos têm relatado diversos procedimentos para a modificação de superfícies de implantes de titânio objetivando a melhoria da quantidade e qualidade da interface ossoimplante. Dentre estes, destacam-se o condicionamento ácido, o jateamento com partículas de diferentes durezas e granulações e a associação de ambos os métodos (Alexander et al., 2009). Por exemplo, Szmukler-Moncler et al. (2004) demonstraram em um estudo em porcos, por meio de um ensaio de remoção de torque, que o tratamento de superfície em implantes realizado com jateamento de partículas de maior diâmetro seguido de condicionamento ácido aumentou a osseointegração em 50% após um período de 10 semanas quando comparadas à superfícies em que foi realizado somente condicionamento ácido. A literatura reporta que as modificações causadas pelos diferentes tratamentos de superfície nas características químicas e topográficas dos implantes de titânio apresentam um efeito favorável para o processo de osseointegração, incluindo um aumento na formação óssea em um período de tempo limitado, maiores áreas de contato entre osso e implante e melhora no embricamento micromecânico entre implante e osso (Cordioli et al., 2000; Novaes et al., 2002; Tavares et al., 2007; Yeo et al., 2008; Yang et al., 2008). 4

16 Atualmente, acredita-se que, além da textura rugosa criada na superfície dos implantes, sua topografia específica também influencia qualitativa e quantitativamente a osseointegração (Lazzara et al., 1999; Keller et al., 2003; Webster et al., 2004). Nestes casos, a topografia da superfície é descrita como sendo a textura do implante caracterizada microtopograficamente, em que as interações entre células e tecidos que promovem a osseointegração se baseiam (Fandridis e Papadopoulos, 2008). Os diferentes acabamentos e tipos de tratamento de superfície de implantes de titânio podem apresentar diferentes graus de rugosidade. Um acabamento usinado, por exemplo, cria sulcos na ordem de 0,5 a 1 µm. Entretanto, depois da realização de um polimento nesta superfície, sua rugosidade superficial é bastante diminuída para níveis nanométricos. Em nível celular, este tipo de acabamento com pouca rugosidade superficial fornecem uma superfície com uma textura adequada para a ocorrência da osseointegração. Já superfícies jateadas com pequenos defeitos superficiais de 1 a 2 µm (Szmukler-Moncler et al., 2004) permite que as células ósseas sejam capazes de crescer nestas retenções e, em seguida, produzir uma matriz mineralizante. Isso proporciona um meio melhor para a fixação do implante e promove um maior percentual de osseointegração ao longo da superfície do implante (Alexander et al., 2009). Estudos in vitro e in vivo reportam fortes evidências de que as superfícies de implantes com microtexturas podem ser utilizadas para controlar a resposta óssea e de tecidos moles em relação à superfície do implante (Norton, 1998; Pecora et al., 2009; Alexander et al., 2009). No caso de superfícies lisas, os fibroblastos conseguem se aderir, se espalhar e se proliferar rapidamente, resultando na formação de uma cápsula fibrosa que restringe a formação óssea. A presença de micro-retenções superficiais restringe a migração apical de fibroblastos e sua proliferação, permitindo que os osteoblastos, que apresentam menor 5

17 velocidade de crescimento, possam se proliferar e migrar coronalmente até a região mais cervical do implante. Foi levantada a hipótese de que a transferência de tensão do implante para a crista óssea nesta região, que ocorre por meio de uma melhor união em virtude desta característica de superfície, produz uma topografia óssea estável com menor probabilidade de reabsorção durante o primeiro ano de função (Norton, 1998; Pecora et al., 2009; Alexander et al., 2009). É preciso ressaltar que existem dois tipos de resposta após a instalação de um implante. O primeiro tipo envolve a formação de uma cápsula fibrosa de tecido conjuntivo ao redor do implante. Esta cápsula não assegura uma fixação biomecânica adequada e leva ao insucesso clínico do implante. O segundo tipo de resposta está relacionado ao contato direto entre osso e implante sem a interposição de uma camada de tecido conjuntivo (osseointegração). Esta fixação biológica é, portanto, considerada um pré-requisito para próteses implanto-suportadas e para que se obtenha sucesso clínico em longo prazo. A taxa e qualidade de osseointegração em implantes de titânio estão relacionadas às suas propriedades de superfície, como composição, hidrofilia e parâmetros de rugosidade que podem desempenhar um papel na interação entre tecido e implante (Le Guéhennec et al., 2007). A composição química da superfície dos implantes de titânio pode depender da sua composição total e dos seus tratamentos de superfície, sendo crítica para adsorção de proteínas e adesão celular. Como dito no início desta revisão, os implantes osseointegrados odontológicos são geralmente confeccionados em titânio comercialmente puro ou em ligas de titânio. O titânio comercialmente puro apresenta vários graus de pureza (em uma escala de 1 a 4), e essa pureza é caracterizada pelo seu conteúdo de carbono, oxigênio e ferro. A maioria dos implantes são confeccionados em titânio comercialmente puro grau 4, por apresentar melhores propriedades mecânicas. Já 6

18 as ligas de titânio são compostas principalmente por Ti6Al4V (liga de titânio grau 5), que apresenta maior limite de escoamento e maior resistência à fadiga quando comparada ao titânio puro (Steinemann, 1998). Como já mencionado, a composição química da superfície dos implantes de titânio também afeta a característica hidrofílica da superfície. Superfícies altamente hidrofílicas parecem mais desejáveis do que superfícies hidrofóbicas, uma vez que estas superfícies deverão estar em íntimo contato com fluídos biológicos, células e tecidos (Zhao et al., 2005). A rugosidade da superfície pode ser dividida em três níveis: topografias macro, micro e nanométricas. O nível macro é definido por características topográficas na faixa entre milímetros e dezenas de micrômetros. Esta escala está diretamente relacionada à geometria do implante, espaçamento entre as roscas e tratamentos de superfície que geram macroporosidades com mais de 10 µm. Alguns estudos já têm mostrado que tanto a fixação inicial e a estabilidade mecânica de longo prazo das próteses implantosuportadas podem ser melhoradas por meio da criação de um perfil de alta rugosidade nos implantes, quando comparados a implantes de superfícies lisas (Gotfredsen et al., 1995; Wennerberg et al., 1995). No entanto, existe o risco de superfícies com macro rugosidades apresentarem elevados índices de peri-implantite, bem como um aumento na liberação de íons (Becker et al., 2000). Acredita-se que um perfil de rugosidade moderada de 1 a 2 µm pode limitar esses dois parâmetros (Albrektsson e Wennerberg, 2005). O perfil microtopográfico é definido por rugosidades superficiais na faixa de 1 a 10 µm. Esta faixa de rugosidade parece maximizar o embricamento entre tecido ósseo mineralizado e a superfície do implante (Wennerberg et al., 1995). Além disso, a literatura reporta que a rugosidade superficial neste intervalo resulta em maior contato 7

19 entre osso e implante e maior resistência à remoção de torque que outros tipos de topografia da superfície (Wennerberg et al., 1995). Perfis de superfície nanométricos parecem desempenhar um papel importante na adsorção de proteínas, na adesão de células osteoblásticas e, portanto, na taxa de osseointegração (Brett et al., 2004). Entretanto, rugosidades superficiais reprodutíveis em escala nanométrica são difíceis de se produzir com tratamentos químicos. Além disso, a topografia da superfície nano ideal para a adsorção seletiva de proteínas que pode levar à adesão de células osteoblásticas e rápida aposição do osso ainda é desconhecida (Le Guéhennec et al., 2007). Entre os diversos tratamentos de superfície, os sprays de plasma de titânio (titanium plasma-spraying, TPS) têm sido utilizados para a criação de rugosidades superficiais em implantes de titânio. Este método consiste na injeção de um pó de titânio em um injetor de plasma de alta temperatura. Por este método, as partículas de titânio são projetadas de encontro à superfície dos implantes, onde se condensam e se fundem, formando um filme de cerca de 30 a 50 µm. Este tratamento de superfície resulta em um perfil de rugosidade média de cerca de 2 a 7 µm, aumentado a área de superfície do implante (Le Guéhennec et al., 2007; Coelho et al., 2009). Um estudo que avaliou este tratamento de superfície em implantes instalados em minipigs mostrou que a interface osso-implante foi formada mais rapidamente, quando comparada a implantes de superfície lisa, com uma rugosidade média de 0,2 µm. Além disso, os autores reportaram um aumento na resistência à tração da interface osso-implante (Buser et al., 1991). No entanto, partículas de titânio já foram encontradas no osso adjacente a estes implantes e partículas provenientes do desgaste de implantes também foram identificadas em outros órgãos, como fígado e baço (Urban et al., 2000). Atualmente, existe um consenso na literatura de que superfícies com rugosidades moderadas (micrométricas) e menores do 8

20 que as produzidas por TPS podem apresentar vantagens em relação à osseointegração (Buser et al., 1991; Ong et al., 2004). Porém, implantes com tratamento de superfície por TPS têm sido recomendados para regiões com baixa densidade óssea (Lacefield, 1998). Outro tratamento de superfície bastante utilizado é o jateamento com partículas de cerâmica. O material de jateamento deve ser quimicamente estável, biocompatível e não deve dificultar a ocorrência da osseointegração dos implantes de titânio. Dentre as cerâmicas mais utilizadas para o tratamento de superfície de implantes pelo jateamento, podem ser citadas a sílica, a alumina, o óxido de titânio e as partículas de fosfato de cálcio (Le Guéhennec et al., 2007). A alumina (Al 2 O 3 ) é frequentemente utilizada como material para o jateamento de implantes e produz rugosidade superficial que varia de acordo com a granulometria do pó utilizado. Contudo, durante o jateamento, grãos de alumina tendem a ficar incorporados na superfície do implante, mesmo depois de processo de limpeza ultrassônica, passivação ácida e esterilização. A alumina é insolúvel em ácidos e, portanto, difícil de remover da superfície do titânio. Em alguns casos, estas partículas foram liberadas para os tecidos adjacentes e podem ter interferido com a osseointegração dos implantes (Aparicio et al., 2003). Porém, ainda não existe um consenso na literatura sobre isso, uma vez que outros trabalhos reportam que estas partículas de alumina aderidas à superfície do implante não afetam a osseointegração (Piatelli et al., 2003). O óxido de titânio (TiO 2 ) também é usado para o jateamento de implantes. Estas partículas apresentam um tamanho médio de 25 µm e podem produzir uma superfície com rugosidade moderada de 1 a 2 µm (Le Guéhennec et al., 2007). A literatura tem reportado um aumento significativo do contato osso-implante na utilização de implantes jateados com TiO 2 em comparação com implantes de superfícies usinadas (Gotfredsen et al., 1995; Ivanoff et al., 2001). Também é importante ressaltar que alguns trabalhos têm 9

21 indicado que o contato osso-implante foi semelhante para implantes de titânio jateados com TiO 2 e Al 2 O 3 quando comparados a implantes com superfícies lisas, sem nenhum tipo de tratamento de superfície (Wennerberg et al., 1995). Existe ainda a possibilidade de jateamento com materiais biocompatíveis, osteocondutores e absorvíveis, como fosfatos de cálcio (hidroxiapatita e beta trifostato de cálcio). Como estes materiais são absorvíveis, eles produzem uma textura de superfície limpa, sem resíduos. Um maior contato osso-implante tem sido reportado pela literatura com a utilização destas superfícies quando comparadas com superfícies usinadas (Novaes et al., 2002), além de valores de contato osso-implante similares aos observados com outras superfícies obtidas por jateamento (Müeller et al., 2003). O condicionamento com ácidos fortes como HCl, H 2 SO 4, HNO 3 e HF também é um importante método para o tratamento de superfície de implantes de titânio. Este tipo de tratamento produz micro-retenções na superfície do titânio com tamanhos variando de 0,5 a 2 µm de diâmetro (Massaro et al., 2002; Zinger et al., 2004). A literatura reporta que o tratamento com ácidos da superfície pode melhorar significativamente a osseointegração (Wong et al., 1995). Além disso, também são realizados tratamentos com mais de um tipo de ácido (duplo condicionamento ácido), com o objetivo de melhorar o processo de osteocondução por meio da ligação de fibrina e células osteogênicas, resultando na formação de osso diretamente sobre a superfície do implante (Park e Davies, 2000). Esses estudos levantam a hipótese de que os implantes tratados por duplo condicionamento ácido apresentam uma topografia específica capaz de se unir ao arcabouço de fibrina, promover a adesão de células osteogênicas e assim promover a aposição óssea (Davies, 1998; Trisi et al., 2002). Também é importante ressaltar que alguns estudos experimentais têm relatado a ocorrência de maior contato osso-implante e menor reabsorção óssea, em implantes tratados com o duplo condicionamento ácido 10

22 quando comparados a implantes com as superfícies usinadas ou tradadas com TPS (Cochran et al., 2002; Trisi et al., 2003). A maioria dos implantes comercializados atualmente tem suas superfícies tratadas com jateamento e condicionamento ácido. O condicionamento ácido subsequente ao jateamento tem o objetivo de melhorar o perfil topográfico da superfície e remover os subprodutos do jateamento que tenham eventualmente ficado aderidos à superfície (Coelho et al., 2009). As vantagens deste método incluem um aumento da superfície total do implante, conseguido por meio da remoção seletiva resultante das diferenças eletroquímicas na topografia da superfície do implante (Le Guéhennec et al., 2007). No entanto, este processo deve ser realizado sob condições controladas, uma vez que o excesso de condicionamento da superfície pode diminuir a topografia superficial e as propriedades mecânicas, podendo levar à fragilização do titânio, criando microfissuras em sua superfície, o que poderia reduzir a resistência à fadiga dos implantes e comprometer a osseointegração (Yokoyama et al., 2002; Coelho et al., 2009). Além disso, é importante que o condicionamento ácido após o jateamento remova quaisquer vestígios de partículas (especialmente no caso de alumina ou sílica), pois a análise química de implantes que falharam mostrou evidências de que a presença de partículas interfere na osteocondução do titânio, independentemente dos perfis de biocompatibilidade estabelecidos para o biomaterial (Lacefield, 1998). Uma outra alternativa para o tratamento da superfície de implantes de titânio envolve a utilização de soluções de flúor (Coelho et al., 2009). O titânio é bastante reativo com íons flúor, formando um composto solúvel de tetrafluoreto de titânio (TiF 4 ) (Le Guéhennec et al., 2007). Este tratamento cria tanto rugosidade superficial como a incorporação de flúor na superfície, que pode ser favorável para a osseointegração (Ellingsen et al., 2004). A literatura mostra que o tratamento com soluções de flúor 11

23 apresenta maior diferenciação osteoblástica (Cooper et al., 2006) e maior resistência à remoção de torque do que os implantes com superfícies controle (Ellingsen et al., 2004). Outra modificação da superfície que tem aumentado e melhorado a microtextura de superfície é a anodização eletroquímica. Neste tratamento, a superfície do implante tem sua composição química e topografias modificadas por meio de anodização galvanostática ou potenciostática de ligas de titânio, sendo realizado pela imersão em soluções de ácidos fortes e pela passagem de corrente elétrica. Este procedimento resulta no espessamento da camada de óxidos depositada na superfície do titânio em várias ordens de grandeza quando comparado com superfícies passivadas (Le Guéhennec et al., 2007; Coelho et al., 2009). Durante esse processo, a interação entre os processos de formação e dissolução das regiões da camada de óxidos acaba por resultar em uma microestrutura porosa (Sul et al., 2002a). A literatura tem mostrado que as superfícies anodizadas resultam em melhores resultados em ensaios biomecânicos e análises histomorfométricas em comparação com superfícies usinadas (Sul et al., 2002b; Rocci et al., 2003). Também tem sido reportada maior taxa de sucesso clínico quando da utilização de implantes com superfície anodizada em comparação com implantes com superfície usinada e com desenhos semelhantes (Jungner et al., 2005). Dois mecanismos têm sido propostos para explicar estes resultados com relação à osseointegração: maior embricamento mecânico pela possibilidade de crescimento ósseo nos poros formados na camada de óxidos modificada e união bioquímica (Sul et al., 2005; Schüpbach et al., 2005). 12

24 3. PROPOSIÇÃO O objetivo deste estudo foi realizar a caracterização microestrutural e topográfica da superfície de uma liga de titânio cirúrgica para a confecção de implantes odontológicos com diferentes tipos de tratamento de superfície, por meio de avaliação da rugosidade, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia de forca atômica (MFA). 13

25 4. MATERIAL E MÉTODOS 4.1. Confecção dos espécimes e tratamentos de superfície Para cada grupo, seis discos de uma liga de titânio cirúrgica (Ti-6Al-4V, grau 5) com 11 mm de diâmetro e 4 mm de espessura foram produzidos por um fabricante nacional de implantes odontológicos (Kopp, Curitiba, PR, Brasil). Estes discos tiveram toda sua superfície modificada por quatro tratamentos, realizados pelo próprio fabricante, cuja descrição foi enviada conforme descrito abaixo. Todos os grupos tiveram sua superfície jateada com Al 2 O 3 (tamanho médio de 50 µm) e passaram por um procedimento de limpeza. Este procedimento envolveu primeiramente uma lavagem em ultrassom com água deionizada e desengraxante biodegradável, seguida por um enxágue em ultrassom com água deionizada. As amostras foram então colocadas em um aparelho de vaporização para limpeza por imersão, realizada também com água deionizada e desengraxante biodegradável. Ao final, as amostras foram novamente lavadas em ultrassom com água deionizada e desengraxante biodegradável, seguida por um enxágue em ultrassom com água deionizada. As amostras foram então foram divididas de acordo com o tipo de tratamento realizado: Grupo 1 (G1) imersão em solução ácida padrão: água deionizada (67%), ácido nítrico (30%) e ácido fluorídrico (3%) (grupo controle) Grupo 2 (G2) imersão em acetona, seguida pela imersão em solução ácida padrão Grupo 3 (G3) imersão em acetona, seguida pela imersão em solução ácida padrão, seguida pela imersão em ácido nítrico (30%) Grupo 4 (G4) imersão em acetona, seguida pela imersão em solução ácida padrão, seguida pela imersão em ácido sulfúrico (30%) 14

26 Os discos foram novamente submetidos a procedimentos de limpeza, embalados individualmente e identificados pelo fabricante (Figura 1). (a) (b) Figura 1 (a) e (b) Discos confeccionados em uma liga de titânio cirúrgica, nos quais foram realizados diferentes tratamentos de superfície Ensaio de rugosidade Para análise da rugosidade superficial, cinco espécimes de cada grupo foram fixados a uma lâmina de vidro com cera utilidade e levados individualmente ao rugosímetro (Surftest SJ-210P, Mitutoyo, Japão), equipado com uma agulha de diamante de 5 µm de raio. Os espécimes foram manipulados com pinça, pelas laterais, evitando-se a contaminação das superfícies de leitura. Para as leituras, a agulha se moveu a uma velocidade constante de 0,5 mm/s. Antes do início das leituras, o aparelho foi calibrado de acordo com as recomendações do fabricante (Figura 2). Em cada operação de leitura considerada, a agulha do rugosímetro percorreu um trecho de 2,5 mm de extensão na superfície em análise, com comprimento de amostragem (cut-off) de 0,25 mm, para maximizar a filtragem da ondulação superficial (Figura 3a). Foram efetuadas três leituras em posições diferentes, sendo a primeira considerada a 0º, a segunda a 45º em relação à primeira leitura e a terceira a 90º em 15

27 relação à primeira leitura. Deste modo, as medições puderam ser realizadas nas direções paralela, perpendicular e oblíqua dos espécimes (Figura 3b). A média das três leituras foi utilizada como o valor de rugosidade para cada espécime. Para este estudo, foram avaliados três parâmetros de rugosidade: rugosidade média (Ra): representa a média aritmética entre os picos e vales registrados; rugosidade média (Rz): corresponde à média entre picos e vales registrados em cada um dos comprimentos de amostragem; rugosidade (Ry): corresponde à distância máxima entre o maior pico e o maior vale no percurso de medição. (a) (b) (c) (d) Figura 2 (a) e (b) Dispositivo utilizado para a calibração do rugosímetro; (c) rugosímetro utilizado para determinação dos parâmetros de rugosidade e (d) calibração do aparelho. 16

28 1 3 2 (a) (b) Figura 3 (a) Posicionamento do rugosímetro para determinação dos parâmetros de rugosidade e (b) posições de leitura em cada corpo de prova para ensaio de rugosidade Microscopia eletrônica de varredura (MEV) Para a análise e caracterização microestrutural em microscopia eletrônica de varredura, um espécime de cada grupo foi montado em suporte metálico (stub) com o auxílio de fitas de cobre. Não foi necessária a realização de metalização. As análises e obtenção das imagens foram realizadas em microscópio eletrônico de varredura (JSM 6360-LV, JEOL, Japão) Microscopia de força atômica (MFA) Para a caracterização do perfil topográfico em microscopia de força atômica, um espécime de cada grupo foi adaptado sobre um suporte magnético e levado a um microscópio de força atômica (SPM-9500J3, Scanning Probe Microscope, Shimadzu, Japão). As análises foram realizadas em modo de contato com a utilização de uma sonda com ponta triangular com constante elástica de 0,15 N/m em uma área de 20 x 20 µm em cada uma das amostras, em uma região com altura máxima de leitura de 5 µm. 17

29 As imagens foram captadas por uma câmera acoplada ao microscópio, bem como dois perfis topográficos perpendiculares para cada imagem e perfis em 3D da topografia Análise estatística Antes de submeter os dados de rugosidade à análise estatística, o teste de Shapiro-Wilk foi realizado para se determinar se os dados seguiam a distribuição normal (p > 0,05). Após se observar a normalidade da distribuição dos dados, eles foram analisados por meio de análise de variância (ANOVA) e teste de Tukey com nível global de significância de 5% para diferenciação das médias. 18

30 5. RESULTADOS 5.1. Rugosidade As médias, desvios-padrão e coeficientes de variação para o ensaio de rugosidade estão apresentados na Tabela 1 e Figura 4. Tabela 1 Médias, desvios-padrão e coeficientes de variação para os parâmetros de rugosidade avaliados para os diferentes tratamentos de superfície. Na mesma coluna, valores seguidos da mesma letra são estatisticamente semelhantes (p > 0,05). Parâmetros de rugosidade (µm) Ra Rz Ry Grupo 1 0,72 0,08 (11%) a 4,55 0,51 (11%) a 6,04 1,03 (17%) a Grupo 2 0,74 0,08 (11%) a 4,54 0,29 (6%) a 5,96 0,75 (13%) a Grupo 3 0,70 0,07 (10%) a 4,49 0,36 (8%) a 5,49 0,78 (14%) a Grupo 4 0,71 0,09 (13%) a 4,33 0,32 (7%) a 5,76 0,65 (11%) a Figura 4 Médias e respectivos desvios-padrão para os parâmetros de rugosidade avaliados para os diferentes tratamentos de superfície. 19

31 Os resultados do ensaio de rugosidade mostraram que, para os três parâmetros analisados, não houve diferença estatisticamente significante para os diferentes tratamentos de superfície realizados neste estudo. Pode-se observar pela Tabela 1 e pela Figura 4 que os valores de média, desvio-padrão e coeficientes de variação foram bastante semelhantes entre os grupos, indicando que um padrão de rugosidade similar foi criado. Para o parâmetro Ra, os resultados mostram que os valores encontrados para todos os grupos variaram entre 0,70 e 0,74 µm. Já para o parâmetro Rz, os valores ficaram entre 4,33 e 4,55 µm. Com relação ao parâmetro Ry, os valores encontrados estavam entre 5,49 e 6,04 µm Microscopia eletrônica de varredura As Figuras 5 a 8 mostram imagens obtidas por microscopia de eletrônica de varredura da superfície de uma das amostras dos grupos 1 a 4, com aumentos de a Para todos os grupos, em menor aumento, é possível se observar que todas as regiões analisadas se apresentaram bastante irregulares e com a presença de uma textura de superfície. Também é possível se perceber a presença de partículas depositadas ou impregnadas na superfície de maneira uniforme, com tamanho médio variando entre 1 e 3 nm. Dentre todos os grupos analisados, verifica-se que o grupo 1 foi o que apresentou maior quantidade de partículas na superfície quando comparados aos outros grupos. Já em maior aumento, observa-se em todos os grupos a presença de micro-rugosidades com profundidades semelhantes e extensões variadas por toda a superfície. 20

32 (a) (b) (c) (d) Figura 5 Imagens de microscopia eletrônica de varredura da superfície de um espécime do grupo 1 com aumentos de (a) ; (b) ; (c) e (d)

33 (a) (b) (c) (d) Figura 6 Imagens de microscopia eletrônica de varredura da superfície de um espécime do grupo 2 com aumentos de (a) ; (b) ; (c) e (d)

34 (a) (b) (c) (d) Figura 7 Imagens de microscopia eletrônica de varredura da superfície de um espécime do grupo 3 com aumentos de (a) ; (b) ; (c) e (d)

35 (a) (b) (c) (d) Figura 8 Imagens de microscopia eletrônica de varredura da superfície de um espécime do grupo 4 com aumentos de (a) ; (b) ; (c) e (d) Microscopia de força atômica As Figuras 9 a 12 mostram imagens obtidas por microscopia de força atômica de uma área de 20 x 20 µm da superfície de uma das amostras dos grupos 1 a 4, indicando dois perfis topográficos perpendiculares para cada imagem e perfis em 3D da topografia para cada um dos tratamentos de superfície realizados. Pode-se notar que, para todos os grupos, as superfícies analisadas apresentaram níveis de rugosidade bastante semelhantes, com a presença de conjuntos de picos e vales com alturas relativamente próximas. 24

36 (a) (b) (c) Figura 9 (a) Imagem de microscopia de força atômica da superfície de uma amostra do grupo 1; (b) perfis topográficos obtidos a partir da imagem mostrada em A, nos segmentos A-B e C-D e (c) perfil topográfico em 3D obtido a partir da imagem mostrada em (a). 25

37 (a) (b) (c) Figura 10 (a) Imagem de microscopia de força atômica da superfície de uma amostra do grupo 2; (b) perfis topográficos obtidos a partir da imagem mostrada em A, nos segmentos A-B e C-D e (c) perfil topográfico em 3D obtido a partir da imagem mostrada em (a). 26

38 (a) (b) (c) Figura 11 (a) Imagem de microscopia de força atômica da superfície de uma amostra do grupo 3; (b) perfis topográficos obtidos a partir da imagem mostrada em A, nos segmentos A-B e C-D e (c) perfil topográfico em 3D obtido a partir da imagem mostrada em (a). 27

39 (a) (b) (c) Figura 12 (a) Imagem de microscopia de força atômica da superfície de uma amostra do grupo 1; (b) perfis topográficos obtidos a partir da imagem mostrada em A, nos segmentos A-B e C-D e (c) perfil topográfico em 3D obtido a partir da imagem mostrada em (a). 28

40 6. DISCUSSÃO Um dos principais objetivos para a realização de modificações na superfície de implantes odontológicos é o de se diminuir o período de tempo necessário para a osseointegração. Assim como modificações no desenho dos implantes, a evolução na realização dos diversos tratamentos de superfície parece ser mais um passo no sentido de minimizar o período de espera entre a instalação do implante e a efetiva osseointegração. Como a superfície é a primeira e a principal parte do implante a ter contato com os tecidos, é natural que os métodos utilizados para modificação da superfície sejam amplamente investigados (Coelho et al., 2009). Imediatamente após a colocação do implante, uma série de eventos ocorre entre os tecidos e a superfície do implante. Esta sequência de eventos se inicia com a interação entre o tecido sanguíneo e a superfície do implante, em que as proteínas são dinamicamente adsorvidas e liberadas da superfície do implante por meio de um processo inflamatório, que é seguido pela formação óssea inicial ao redor do implante, e através de vários ciclos de remodelação, em que o osso formado ao redor do implante alcança seu mais alto grau de organização e propriedades mecânicas (Lemons, 2004). Portanto, do ponto de vista teórico, diferentes métodos de modificação de superfície utilizados para implantes podem levar à criação de superfícies com características topográficas diversas e únicas. Estas diferentes propriedades físico-químicas podem potencialmente levar a alterações na resposta o entre tecido e implante. Sendo assim, novos tratamentos de superfície devem ser sempre considerados e testados como novos biomateriais (Coelho et al., 2009). No presente estudo, quatro diferentes tratamentos de superfície foram realizados em discos de uma liga cirúrgica de titânio para a confecção de implantes odontológicos. O grupo 1 foi considerado controle. Os outros grupos de tratamento, com banhos 29

41 intermediários em acetona, ácido nítrico e ácido sulfúrico, representaram modificações para a realização de um duplo ataque ácido, com a possibilidade de criação de novas características de superfície. Os resultados deste estudo representam um esforço inicial para que, no futuro, os implantes com tratamentos semelhantes possam ser instalados em um modelo animal no intuito de verificar o contato osso-implante e avaliar o tempo necessário para a osseointegração. A caracterização da superfície de implantes com avaliação de parâmetros de rugosidade tem sido mais reportada atualmente na literatura do que nos trabalhos mais antigos, mostrando uma maior preocupação dos pesquisadores com este aspecto. No entanto, ainda existem análises de superfícies não adequadamente realizadas, assim como não existe consenso na literatura sobre o que se poderia caracterizar como uma superfície com maior ou menor grau de rugosidade, ou mais lisas ou mais rugosas. Nos trabalhos em que é realizada caracterização topográfica da superfície, poucos são os estudos que descrevem a superfície com outros parâmetros além dos comumente utilizados para determinação da altura, como os parâmetros bidimensionais Ra, Rq (parâmetro correspondente ao Ra, equivalente ao desvio médio quadrático), Rz e Rt (diferença entre o pico mais alto e a depressão mais baixa no comprimento considerado), por exemplo, e seus parâmetros homólogos tridimensionais Sa, Sq, Sz e St. Indubitavelmente, dentre estes, os mais utilizados são os valores de Ra e Sa (Wennerberg e Albrektsson, 2009). A literatura sugere uma classificação para as superfícies dos implantes de acordo com seus valores de Ra, de maneira que superfícies lisas seriam aquelas em que o Ra está entre 0 e 0,4 µm, superfícies com mínima rugosidade apresentariam Ra entre 0,5 e 1 µm, superfícies com rugosidade moderada seriam aquelas com valores de Ra entre 1 e 2 µm e superfícies com máxima rugosidade seriam aquelas com valores de Ra maiores que 2 µm (Dohan Ehrenfest et al., 2010). 30

42 No presente estudo, os parâmetros Ra, Rz e Ry foram determinados com o auxílio de um rugosímetro. Entretanto, não foram encontradas diferenças significativas com relação aos parâmetros de rugosidade avaliados. Isto pode ser explicado pelo fato de que os tratamentos de superfície realizados pelo fabricante foram relativamente semelhantes entre si, sempre com a realização de jateamento seguido por condicionamento ácido, resultando em pouca variação nos valores médios de Ra, Rz e Ry. Quando comparados com outros valores de parâmetros de rugosidade reportados na literatura, principalmente de Ra, uma vez que este é o parâmetro mais investigado em outros estudos, pode-se observar que os valores médios obtidos no presente estudo (entre 0,70 e 0,74 µm) foram relativamente inferiores aos observados em outros estudos que também realizaram jateamento seguido de condicionamento ácido, e que encontraram valores médios de Ra variando entre 0,77 e 4 µm (Abron et al., 2001; Marinho et al., 2003; Szmukler-Moncler et al., 2004; Grassi et al., 2006; Kawahara et al., 2006a; Kawahara et al., 2006b; Deyneka-Dupriez et al., 2007; Hsu et al., 2007). Entretanto, é importante ressaltar que estes estudos foram realizados empregando-se diferentes metodologias (rugosímetro, microscopia de força atômica, interferômetro, perfilômetro etc.) e a análise foi realizada em implantes que tiveram suas superfícies tratadas. Apenas um outro estudo foi encontrado em que a caracterização da superfície foi realizada em discos com a superfície tratada, como realizado no presente trabalho. Nesse estudo (Abron et al., 2001), os parâmetros de rugosidade foram determinados por microscopia de força atômica e um valor de Ra de 0,77 µm foi determinado para discos de titânio, tratados com jateamento e condicionamento ácido. A literatura reporta que estes valores relativamente menores (mas similares ao encontrado no presente trabalho) podem ser decorrentes da diferença na conformação dos espécimes, uma vez que a 31

43 leitura foi feita em superfícies mais planas e favoráveis, como discos, ao invés da superfície torneada de implantes (Wennerberg e Albrektsson, 2009). Pela classificação descrita anteriormente, os quatro grupos avaliados neste estudo apresentam rugosidade mínina, uma vez que os valores de Ra determinados no ensaio de rugosidade encontram-se entre 0,5 e 1 µm. Ao avaliar parâmetros de rugosidade, como o Ra, e compará-los com outros valores da literatura, também é preciso levar em conta que estes valores correspondem à rugosidade de uma área pequena da amostra e podem não ser representativos da superfície como um todo. É consenso, entretanto, que os valores de Ra sozinhos são insuficientes para a caracterização da rugosidade e topografia de superfícies (Wong et al., 1995). Além dos parâmetros de rugosidade, outras técnicas também são comumente empregadas para a caracterização de superfícies. Estes métodos incluem a determinação da composição química da superfície, incluindo a composição do material do implante e da camada superficial em que diferentes tratamentos tenham sido realizados, além das características físicas da superfície dos implantes, incluindo caracterizações microestruturais e topográficas (Dohan Ehrenfest et al., 2010). A microscopia eletrônica de varredura é considerada como o padrão ouro para a caracterização da morfologia de superfícies em nível micrométrico (Dohan Ehrenfest et al., 2010). Junto com a microscopia eletrônica de varredura, é comum a realização de análise química da superfície, de suas fases e partículas identificadas no MEV com a utilização de espectroscopia por dispersão de energia (EDS ou EDX). No presente estudo, a análise em microscopia eletrônica de varredura mostrou que todos os grupos apresentaram superfícies bastante irregulares, com microrugosidades e com a presença de partículas depositadas ou impregnadas na superfície de 32

44 maneira uniforme. As micro-rugosidades observadas em maior aumento parecem ter sido causadas pelo jateamento com óxido de alumínio. Quanto às partículas que aparecem depositadas sobre as superfícies, sugere-se a possibilidade de que elas representem resquícios das partículas de óxido de alumínio que foram utilizadas no processo de jateamento e tenham ficado impregnadas sobre a superfície, uma vez que elas foram encontradas em todos os grupos. A identificação destas partículas será possível com a realização de análise química por EDS. Também é preciso destacar que o grupo 1 foi o que apresentou maior quantidade de partículas na superfície quando comparados aos outros grupos. Isso pode ter acontecido, pois este grupo recebeu apenas um condicionamento ácido. Os outros grupos receberam também banhos intermediários com acetona, ácido nítrico e ácido sulfúrico, que podem ter contribuído para uma maior remoção das partículas depositadas na superfície. Ainda com relação às imagens de microscopia eletrônica de varredura, as texturas de superfície que aparecem nas imagens em menor aumento (Figuras 9 a 12 (a)) podem ter sido criadas pelos condicionamentos ácidos realizados na superfície, uma vez que a literatura reporta que a realização de condicionamento ácido pode levar à criação de microfissuras na superfície (Yokoyama et al., 2002; Coelho et al., 2009). Entretanto, análises mais detalhadas seriam necessárias para uma melhor avaliação desta característica. Entre as técnicas mais recentemente utilizadas para a caracterização da topografia de superfícies está a microscopia de força atômica. Este método pode, em teoria, revelar a topografia de uma superfície com resolução quase atômica, entretanto, pode não ser tão útil para superfícies com maiores graus de rugosidade, uma vez que sua microtopografia pode interferir significativamente com a ponta da sonda, o que pode 33