AVALIAÇÃO DO EFEITO DA INCORPORAÇÃO IN SITU DE AGENTES RADIOPACOS E DA HIDROXIAPATITA NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE CIMENTOS ÓSSEOS A BASE DE PMMA

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1 AVALIAÇÃO DO EFEITO DA INCORPORAÇÃO IN SITU DE AGENTES RADIOPACOS E DA HIDROXIAPATITA NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE CIMENTOS ÓSSEOS A BASE DE PMMA G. D. AZEVEDO 1, J. C. PINTO 1 e P. H. M. CUNHA 2 1 Universidade Federal do Rio de Janeiro, Programa de Engenharia Química/COPPE 2 Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola de Química para contato: gazevedo@peq.coppe.ufrj.br RESUMO O poli(metacrilato de metila) (PMMA) é um material bastante utilizado na área biomédica, como na fabricação de resinas dentárias, membranas para diálise e cimentos ósseos. Os cimentos ósseos constituem uma mistura do PMMA com seu monômero, o metacrilato de metila (MMA), um iniciador e algumas substâncias inorgânicas para controlar melhor a aplicação do material e melhorar sua resistência mecânica. No presente trabalho, propôs-se a polimerização em suspensão do MMA e a incorporação in situ de diferentes agentes radiopacos, utilizados para melhorar a aplicação do material, e a hidroxiapatita (HA), utilizada para melhorar a resistência mecânica. O efeito da mistura dos aditivos inorgânicos também foi avaliado. Foi proposto um modelo matemático correlacionando a concentração dos compostos inorgânicos com a tensão e o módulo de Young do cimento ósseo produzido. Verificou-se que o modelo proposto se ajustou adequadamente aos dados obtidos. Além disso, efeitos positivos na resistência mecânica com a incorporação da HA também puderam ser observados. 1. INTRODUÇÃO Apesar de não ser um tema recente, a aplicação de polímeros na área médica, em especial na ortopedia, vem despertando bastante interesse dos pesquisadores em diversas partes do mundo. Dentro deste contexto, vale destacar a importância do poli(metacrilato de metila) (PMMA), devido às suas excelentes propriedades ópticas e mecânicas, aliadas a sua excelente biocompatibilidade. Tais características o tornam o principal polímero usado em diversas aplicações médicas, tais como sistemas de liberação controlada de fármacos e cimentos ósseos (Santos et al., 2011; Enayati et al., 2012) Os cimentos ósseos são materiais produzidos a partir da mistura do PMMA sólido com seu monômero no estado líquido (metacrilato de metila, MMA), originando uma massa pastosa em função

2 do emaranhado de cadeias de PMMA que se formava pela polimerização do MMA com as cadeias de PMMA já existentes. Durante essa mistura, ocorre a polimerização em massa do MMA via radicais livres. Para que a reação ocorra, são necessários também um iniciador, que gera os radicais livres ao se decompor, e um ativador, responsável por decompor o iniciador a temperaturas mais baixas. O iniciador e o ativador mais utilizados na preparação dos cimentos ósseos são o peróxido de benzoíla (BPO) e a N,N-dimetil-p-toluidina (DMPT), respectivamente. As microesferas de PMMA são necessárias para viabilizar a aplicação do produto in situ e in vivo, pois sua solubilização na fase contínua promove aceleração da reação (Santos et al., 2011). Na formulação dos cimentos ósseos atuais, adiciona-se alguns agentes radiopacos, com o objetivo de monitorar a aplicação do material e o tratamento pós-cirúrgico. Utiliza-se alguns compostos inorgânicos para este fim, sendo o sulfato de bário (BaSO 4 ) e o dióxido de zircônio (ZrO 2 ) os agentes mais comuns (Santos et al., 2011). Todavia, podem ser observadas algumas diferenças no comportamento mecânico dos cimentos ósseos devido a presença desses materiais. Vazquez et al. (1997) observaram um aumento no módulo de Young do cimento ósseo com o aumento da quantidade de BaSO 4 na receita. Em contrapartida, a resistência mecânica foi reduzida quando comparada com as formulações livres do sal. A ideia de introduzir compostos inorgânicos nas formulações comerciais do cimento ósseo com o objetivo de melhorar as propriedades mecânicas do material também tem sido o tema de vários trabalhos (Perek e Pilliar, 1992; Vallo et al., 1999). Em diversos estudos, a hidroxiapatita (HA) aparece como uma excelente alternativa para reforço de polímeros, em função de sua excelente biocompatibilidade com o tecido ósseo (Cisneros-Pineda et al., 2014; Ayatollahi et al., 2015; Wang et al., 2015). Apesar dos mais variados estudos da influência destes componentes nas propriedades mecânicas do cimento ósseo, ainda não há registro na literatura de um estudo que avalie a influência dos três componentes (HA, BaSO 4 e ZrO 2 ) misturados simultaneamente in situ nas propriedades mecânicas finais do cimento ósseo. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Materiais Para a preparação dos cimentos ósseos, foram utilizados o metacrilato de metila (MMA, 99,5 % de pureza, fornecido pela Vetec Química Fina) como monômero, peróxido de benzoíla (BPO, 99 % de pureza e 25 % de umidade, fornecido pela Vetec Química Fina) como iniciador e N,N-dimetil-ptoluidina (DMPT, 99 % de pureza, fornecido pela Sigma Aldrich) como ativador. Para a síntese das amostras de PMMA utilizadas no preparo dos cimentos ósseos, foram utilizados, além do MMA e do BPO, a hidroxiapatita (HA, 99,5 % de pureza, fornecido pela Spectrum Chemical Manufacturing Corporation), o sulfato de bário (BaSO 4, 97,5 % de pureza,

3 fornecido pela Vetec Química Fina) e o dióxido de zircônio (ZrO 2, 99 % de pureza, fornecido pela Sigma Aldrich) como aditivos. Foi utilizado, também, o poli(álcool vinílico) (PVA, 98 % de pureza, grau de hidrólise de 88 % e Mw = 25000, fornecido pela Vetec Químia Fina) como agente estabilizante Descrição dos Corpos de Prova Foi usinado um molde em aço inoxidável com as dimensões das cavidades a serem preenchidas pelo cimento ósseo descritas na norma ASTM (ASTM F ), específica para formulações acrílicas de cimento ósseo. Cada corpo de prova produzido era perfeitamente cilíndrico, com diâmetro da base igual a 6 mm Polimerização em Suspensão do Metacrilato de Metila As amostras de PMMA utilizadas na preparação do cimento ósseo foram sintetizadas no Laboratório de Modelagem, Simulação e Controle de Processos (LMSCP) do Programa de Engenharia Química da COPPE/UFRJ, através da polimerização em suspensão do MMA, seguindo a receita descrita na literatura para estes tipos de polimerização (Pinto et al., 2006; Santos et al., 2011). A fase aquosa era composta de 0,45 g de PVA e 450 g de H 2 O, enquanto a fase orgânica era composta de 150 g de MMA e 1 g de BPO. As quantidades dos compostos inorgânicos dissolvidos na fase orgânica variavam em 0 (quando nenhum dos componentes encontrava-se presente na formulação), 13,3 g (quando todos os compostos encontravam-se presentes na formulação), 20 g (quando apenas dois compostos encontravam-se presentes na formulação) e 40 g (quando apenas um dos compostos encontrava-se presente na formulação). A reação foi realizada em um reator encamisado de vidro borossilicato de 1 L de capacidade. O reator possui uma tampa metálica de aço inoxidável contendo seis orifícios: um orifício central para encaixe da haste de agitação, um orifício para o condensador de refluxo e um orifício para alimentação dos reagentes. Os três orifícios restantes são vedados com rolhas de borracha sintética. A tampa é fixada ao reator com o auxílio de uma braçadeira metálica. Um anel de viton é colocado entre a tampa e o reator, com o intuito de impedir possíveis vazamentos durante a reação. Um banho de aquecimento e um de resfriamento (Julabo F32), contendo etilenoglicol, foi utilizado para manter o reator na temperatura de reação e para manter o condensador de refluxo numa temperatura baixa, para evitar a perda monômero. Após o término da reação, as partículas foram lavadas e filtradas com água deionizada e colocadas para secar numa estufa de recirculação a 32 ºC por 24 horas. Após secas, as partículas foram peneiradas por 30 minutos utilizando peneiras Berterl Equipamentos Metalúrgicos Ltda., com MESH igual a 200 (75 µm), 150 (106 µm) e 100 (150 µm) Preparação do Cimento Ósseo O procedimento experimental utilizado para preparação do cimento ósseo consiste em duas etapas: preparação da massa de cimento ósseo e preenchimento do molde para preparo dos corpos de

4 prova para o ensaio de resistência à compressão. Em um bécher, foram pesadas as massas dos sólidos: PMMA e BPO. Esta mistura foi transferida para um grau e misturada suavemente com um pistilo (para não alterar a granulometria dos reagentes) até completa homogeneização. Em um outro bécher, são pesadas as massas dos líquidos: MMA e DMPT. Após homogeneizar a massa, ela foi despejada, ainda no estado pastoso, sobre a placa perfurada do molde, que foi previamente colocada sobre uma das placas lisas. Após a massa ser devidamente acomodada no molde, a tampa superior foi então colocada e o molde fechado, pressionado em uma morsa por um período de uma hora. Após esse tempo, a morsa foi afrouxada, as tampas superior e inferior do molde foram retiradas e, com o auxílio do pino de aço inox, os corpos de prova foram retirados do molde. As massas utilizadas para a preparação dos corpos de prova foram 7,5 g de PMMA, 5 g de MMA, 0,2 g de DMPT e 1,5 g de BPO Planejamento Experimental O planejamento experimental deste trabalho seguiu o modelo de planejamento de mistura (Piepel e Cornell, 1994). Foi estipulada como carga máxima uma massa de 40 g de agentes inorgânicos e, a partir daí, foram feitas as combinações possíveis dos três ativos. A Tabela 1 traz o plano experimental de mistura normalizado. As réplicas dos experimentos foram feitas no ponto de composições (1/3,1/3,1/3) (PMMA8). Os erros experimentais foram calculados a partir das réplicas neste ponto. As réplicas foram denominadas PMMA9 e PMMA10. Tabela 1 Planejamento experimental de mistura. Amostra BaSO 4 ZrO 2 HA Amostra BaSO 4 ZrO 2 HA PMMA PMMA5 1/2 1/2 0 PMMA PMMA6 1/2 0 1/2 PMMA PMMA7 0 1/2 1/2 PMMA PMMA8 1/3 1/3 1/ Ensaios de Resistência à Compressão Os ensaios de resistência à compressão foram realizados utilizando uma máquina de ensaio universal EMIC (modelo DL2000) com uma célula de carga de 20 kn. O aparelho fornece uma curva de tensão versus deformação para cada corpo de prova, quando a área de cada corpo de prova é

5 configurada previamente. Além disso, o aparelho também fornece os valores calculados do módulo de Young Construção dos Modelos Empíricos Foram construídos dois modelos empíricos diferentes correlacionando a tensão máxima experimentada pelo material e o módulo de Young com as frações mássicas de cada um dos agentes inorgânicos. Estes modelos foram construídos utilizando o software Statistica 10. A função de otimização escolhida foi a de mínimos quadrados: (y obs y pred ) 2, onde y obs é o valor da variável y (tensão ou módulo de Young) observado e y pred é o valor predito pelo software para a variável y. Inicialmente, propôs-se um modelo genérico tanto para a tensão e o módulo de Young na forma da Equação 1, onde x 1 representa a fração mássica de BaSO 4, x 2 representa a fração mássica de ZrO 2 e x 3 representa a fração mássica de HA! = # $ % $ + # ' % ' + # ( % ( + # ) % $ % ' + # * % $ % ( + # + % ' % ( (1) Como as variáveis x 1, x 2 e x 3 estão sempre correlacionadas (x 1 + x 2 + x 3 = 1), foi desconsiderado o efeito de sinergia entre as variáveis (x 1 x 2 x 3 ), visto que o mesmo é pouco significativo. A partir desse modelo, foram feitas estimações para os parâmetros a i, com 95 % de confiança. Na análise estatística do modelo, o software era capaz de dizer quais parâmetros eram significativos ou não durante a estimação. Toda vez que um ou mais parâmetros eram considerados não significativos, estes eram eliminados e um novo modelo era proposto, desconsiderando a influência dos parâmetros não significativos (e, consequentemente, das variáveis a eles relacionadas) no novo modelo. O modelo era considerado perfeitamente ajustado quando todos os parâmetros eram considerados significativos. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Foi avaliada a influência da presença dos agentes inorgânicos na tensão experimentada pelos corpos de prova e no módulo de Young das diferentes amostras de PMMA. Foram construídos, também, modelos empíricos correlacionando estas propriedades mecânicas com a fração mássica dos inorgânicos presentes na formulação. A tensão (σ) experimentada pelos corpos de prova é função da deformação sofrida pelo corpo em questão. De maneira geral, a tendência é que a deformação que um corpo sofre aumente com a intensidade da tensão experimentada por ele, até que este corpo experimente uma tensão máxima para a qual, a partir dela, não exista mais aumento na tensão com o aumento da deformação. O módulo de Young (Ε) é dado pela razão entre a tensão experimentada por um corpo e a

6 deformação sofrida por ele. A Tabela 2 traz os resultados obtidos para a tensão máxima e para o módulo de Young obtidos para cada uma das amostras de PMMA. Tabela 2 Tensão de cisalhamento (σ) e módulo de Young (Ε) das amostras de cimento ósseo. Amostra σ (MPa) Ε (MPa) Amostra σ (MPa) Ε (MPa) PMMA1 64,89 + 4, , ,09 PMMA6 64,38 + 3, ,1 + 62,3 PMMA2 58,49 + 1, , ,34 PMMA7 67,73 + 1, ,1 + 27,2 PMMA3 61,22 + 0, , ,43 PMMA8 60,83 + 0, ,6 + 45,2 PMMA4 61,14 + 1, , ,00 PMMA9 64,32 + 2, ,2 + 65,4 PMMA5 61,37 + 3, , ,82 PMMA10 64,89 + 1, ,8 + 64,9 Como já era esperado, a adição de BaSO 4 reduziu a tensão máxima de cisalhamento suportada pelo material (PMMA2 com PMMA1). A introdução da HA (PMMA6 e PMMA7) aumentou a tensão de cisalhamento experimentada pelos corpos de prova. Este resultado já havia sido relatado por Santos et al. (2011) e o mesmo efeito também foi observado neste trabalho, quando a HA foi incorporada in situ. Por fim, os experimentos envolvendo os três compostos inorgânicos dispersos simultaneamente na fase orgânica (PMMA8, PMMA9 e PMMA10) mostraram que a presença de HA aumentou a resistência mecânica do material, mas não tanto quanto nos experimentos em que havia apenas um agente radiopaco presente com a HA (PMMA6 e PMMA7), demonstrando que a resistência mecânica do material tende a reduzir com o número de agentes radiopacos presentes no polímero. Analogamente, a presença da HA aumentou o módulo de Young do material (PMMA3) quando comparado com as formulações livre deste agente (PMMA1, PMMA2, PMMA6). Este resultado já era esperado e confirma que o mesmo efeito exercido pelos agentes radiopacos (de piorar as propriedades mecânicas) e pela HA (de melhorar as propriedades mecânicas) ocorre tanto quando estes são incorporados in situ quanto ex situ (Santos et al., 2011) Modelos Empíricos O modelo empírico proposto correlacionando a tensão experimentada pelos corpos de prova (y 1 ) com a fração mássica dos agentes inorgânicos presentes no meio encontra-se representado pela

7 Equação 2, enquanto o modelo empírico correlacionando o módulo de Young (y2) com a fração mássica dos agentes inorgânicos encontra-se representado pela Equação 3.!" = (58,936 ± 2,516)/" + (61,662 ± 2,516)/1 + (61,232 ± 2,727)/3 + (15,790 ± 12,252)/" /3 + (23,726 ± 12,252)/1 /3 (2)!" = (1602,436 ± 36,773)/0 + (1657,693 ± 40,156)/" + (1637,006 ± 36,773)/4 + ( 268,661 ± 179,077)/0 /" + (364,518 ± 179,077)/" /4 (3) Pode-se afirmar que os maiores valores dos parâmetros representam as variáveis mais importantes para o modelo. Neste caso, as variáveis x1 (BaSO4), x2 (ZrO2) e x3 (HA) são as variáveis mais importantes nos dois modelos propostos. Devido ao valor elevado do erro dos parâmetros, a combinação linear das variáveis (x1x2, x1x3 e x2x3) pouco influencia nos resultados obtidos em ambos os modelos. Nos dois modelos, o valor de R2 foi da ordem de 0,98, garantindo boa acurácia. As curvas dos valores observados versus valores estimados para os parâmetros dos dois modelos encontram-se ilustrados na Figura 1. Figura 1 Valores observados e valores estimados para os parâmetros dos modelos de tensão (esquerda) e módulo de Young (direita). 4. CONCLUSÕES Pode-se concluir que as concentrações individuais dos agentes radiopacos (BaSO4 e ZrO2) e da HA influenciam diretamente nos resultados obtidos para a tensão de cisalhamento e módulo de Young do cimento ósseo. Mais precisamente, estas concentrações possuem efeito mais significativo quando analisadas isoladamente, não havendo efeitos muito significativos quando estas concentrações são analisadas em pares. Todavia, a inclusão destes efeitos em pares se mostrou importante para a adequação do modelo aos dados experimentais obtidos.

8 A incorporação in situ dos agentes radiopacos e da HA resultou na diminuição dos valores para a tensão de cisalhamento e do módulo de Young do material, quando comparado aos mesmos resultados utilizando a incorporação ex situ. Este resultado pode indicar que estes agentes inorgânicos não foram totalmente incorporados na matriz polimérica. A confirmação desta hipótese pode ser feita realizando as técnicas de calorimetria de varredura diferencial (DSC) e análise termogravimétrica (TGA). 6. REFERÊNCIAS PIEPEL, G. F.; CORNELL, J.A. Mixture experiment approaches: examples, discussion, and recommendations. J. Qual. Tech., v. 26, p , CISNEROS-PINEDA, O. G.; KAO, W. H.; LORÍA-BASTARRACHEA, M. I.; VERANES- PANTOJA, Y.; CAUICH-RODRÍGUEZ, J. V.; CERVANTES-UC, J. M. Towards optimization of the silanization process of hydroxyapatite for its use in bone cement formulations. Mat. Sci. Eng. C., v. 40, p , WANG, X.; YU, W.; ZHAO, J.; TANG, Q.; WANG, M.; NING, X. Preparation and mechanical properties of reinforced hydroxyapatite bone cement with nano-zro 2. Cer. Int., v. 41, p , AYATOLLAHI, M. R.; YAHYA, M. Y.; SHIRAZI, H. A.; HASSAN, S. A. Mechanical and tribological properties of hydroxyapatite nanoparticles extracted from natural bovine bone and the bone cement developed by nano-sized bovine hydroxyapatite filler. Cer. Int., v. 41, p , SANTOS, J. G. F.; PITA, V. J. R R.; MELO, P. A.; NELE, M.; PINTO, J. C. Production of bone cement composites: Effect of fillers, co-monomer and particles properties. Bra. J. Chem. Eng., v. 28, p , VAZQUEZ, B.; DEB, S.; BONFIELD, W. Optimization of benzoyl peroxide concentration in an experimental bone cement based on poly(methyl methacrylate). J. Mat. Sci., v. 8, p , PEREK, J.; PILLIAR, R. M. Fracture toughness of composite acrylic bone cements. J. Mat. Sci., v. 3, p , VALLO, C. I.; MONTEMARTINI, P. E.; FANOVICH, M. A.; LÓPEZ, J. M. P.; CUADRADO, T. R. Polymethylmethacrylate-based bone cement modified with hydroxyapatite. J. Biomed. Mater. Res., v. 48, p , ENAYATI, M.; MOHAZEY, D.; EDIRISINGHE, M.; STRIDE, E. Ultrasound-stimulated drug release from polymer micro and nanoparticles. Bioinsp. Biomim. Nanobiomat., v. 2, p. 3-10, PINTO, J. C.; SANTOS JR., J. G. F.; PEIXOTO, L. S.; NELE, M.; MELO, P. A. Theoretical and experimental investigation of the production of PMMA-based bone cement. Macromol. Symp., v. 243, p. 1-12, 2006.