Anahí H. Aparecida 1*, Marcus V. L. Fook 2, Leonardo de A. F. e Silva 3, Renan A. M. Tafuri 4, Antonio C. Guastaldi 5.

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1 DESENVOLVIMENTO DE SUPORTE POROSO DE POLIETILENO DE ULTRA ALTO PESO MOLECULAR (PEUAPM) PARA DEPOSIÇÃO DE APATITAS E UTILIZAÇÃO COMO BIOMATERIAL PARA REPOSIÇÃO E REGENERAÇÃO ÓSSEA. Anahí H. Aparecida 1*, Marcus V. L. Fook 2, Leonardo de A. F. e Silva 3, Renan A. M. Tafuri 4, Antonio C. Guastaldi 5. 1* Instituto de Química Unesp, Depto. de Físico-Química, Caixa Postal 355, , Araraquara/SP - aherrera@iq.unesp.br; 2 Departamento de Eng. de Materiais UFCG - marcusvinicius@dema.ufcg.edu.br; 3 Instituto de Química da Unesp leoafs@hotmail.com; 4 Instituto de Química da Unesp renantafuri@yahoo.com.br; 5 Instituto de Química da Unesp guastald@iq.unesp.br Development of Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) porous scaffold for deposition of the apatites and use as biomaterial for osseous replacement and regeneration. The use of polymer as biomaterials has increased in recent years, mainly as polymeric supports ( scaffolds ) in the three-dimensional regeneration and substitution of tissues. Although the Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) shows advantages in its use as biomaterial, particularly as orthopedic implants, its low chemical reactivity constitutes, nevertheless, a limiting factor for its interaction with the osseous tissue. The morphologic modification of this polymer, becoming it a porous material, and its association with apatites can propitiate the attainment of a biomaterial adjusted for the regeneration and replacement of the osseous tissue. In this work it got porous supports of UHMWPE, with average size of pores of 25µm, and surface contend essential polar groups to the future stage of deposition of apatites, from the powder molding and the application of the surface modification method considered for Fook [1]. Key-words: Biomateriais; Polietileno de ultra alto peso molecular (PEUAPM); Modificação de superfície; apatitas. Introdução Por séculos, quando tecidos ou órgãos tornavam-se danificados, a única alternativa de médicos e especialistas era a remoção desta parte afetada, com óbvias limitações. Como a expectativa de vida raramente ultrapassava a faixa etária da progressiva diminuição da qualidade dos tecidos, a necessidade de substituir as partes danificadas era pequena. Contudo, durante o último século a situação mudou acentuadamente, onde a descoberta de anti-sépticos, antibióticos, fornecimento de água tratada, melhoras nas condições de higiene e vacinação contribuíram para o aumento da expectativa de vida do Homem, surgindo, dessa forma, a necessidade de desenvolvimento de materiais e técnicas cirúrgicas adequadas a fim de substituir e tratar órgãos e tecidos danificados, melhorando a qualidade de vida das pessoas [2]. Neste cenário, surge uma nova classe de materiais denominada de Biomateriais, que podem ser classificados como produtos aptos para serem utilizados nos seres humanos com a finalidade de tratamento ou alívio de uma enfermidade ou lesão, e também para a substituição e modificação de sua anatomia ou de um processo fisiológico. Por isso, incluem qualquer produto natural, sintético e artificial que pode ser utilizado como um dispositivo médico ou parte dele. Os materiais sintéticos

2 utilizados como biomateriais incluem metais, polímeros e cerâmicas e também a combinação destes nos chamados compósitos [3]. Dentre os diversos males que afetam a população mundial, os problemas relacionados à estrutura óssea têm sido intensamente estudados, devido a seus efeitos devastadores na qualidade de vida das pessoas, não somente na faixa etária compreendida pela chamada terceira idade, mas também em indivíduos jovens em sua fase mais produtiva, em decorrência de acidentes, notadamente os automobilísticos e os de trabalho. A reposição de articulações como o quadril representa um interesse sério de saúde. Somente nos Estados Unidos, cerca de 150 mil próteses de quadril são fabricadas por ano. A maioria destes implantes deve ser trocada após 15 anos de utilização. Uma estimativa mostra que 20% das cirurgias de quadril realizadas são para a reposição do implante original devido à falhas [4]. Segundo Cao et al. [5], os biomateriais são classificados em quatro tipos, de acordo com a resposta induzida ao meio biológico, e são apresentados na tabela 1. Tabela 1: Tipos de Biomateriais e respectiva ligação com o tecido vivo. Tipo de Biomateriais Tipo de ligação com o tecido vivo Exemplo Quase Inerte Ligação mecânica (fixação morfológica) Alumina, Zircônia, polietileno (PE). Poroso Crescimento de tecido nos poros (fixação biológica) Hidroxiapatita, Metais recobertos com hidroxiapatita. Bioativo Ligação interfacial (fixação bioativa) Hidroxiapatita, Vitro-cerâmicas Bioativas. Reabsorvível Troca por tecido vivo Fosfato Tricálcico, Ácido Poliláctico (PLA). De acordo com Cao et al. [5], os biomateriais porosos proporciona m uma fixação interfacial com o tecido ósseo por crescimento deste tecido através dos poros por todo o implante. Esta ligação osso/implante poroso é denominada Fixação Biológica, e é capaz de suportar estados complexos de carga. Já, a implantação de um material bioativo no organismo resulta na formação de uma camada de hidroxiapatita biologicamente ativa sobre a superfície do implante, que possibilita uma ligação química interfacial entre o implante e o tecido vivo, ocasionando a denominada Fixação Bioativa. Uma importante vantagem da fixação bioativa é que a ligação do implante com o tecido ósseo pode alcançar uma resistência igual ou superior a existente no próprio osso, num intervalo de 3 a 6 meses. Dentre os materiais utilizados como biomateriais, os polímeros apresentam grande potencial de utilização, pois são, geralmente, fáceis de produzir e manusear e apresentam propriedades mecânicas semelhantes às dos materiais biológicos. Em engenharia de tecidos, o uso de polímeros tem crescido muito nos últimos anos, onde suportes poliméricos ( scaffolds ) têm sido utilizados na

3 regeneração tridimensional de tecidos e substituição de órgãos. Polímeros utilizados como biomateriais são comumente chamados de Biopolímeros. O elevado peso molecular e a linearidade da cadeia polimérica conferem ao polietileno de ultra alto peso molecular (PEUAPM) importantes características, tais como elevada resistência à abrasão e ao impacto, baixo coeficiente de atrito, absorção de ruídos, autolubrificação e elevada resistência química a uma ampla gama de produtos (ácidos, álcalis, solventes, combustíveis, detergentes e oxidantes), tornando este material amplamente utilizado nas mais diversificadas aplicações [6]. Como biomaterial, estabelecidas às condições de compatibilidade do PEUAPM, duas propriedades determinam a prioridade na pesquisa e aplicação deste polímero, particularmente em implantes ortopédicos. A primeira é o módulo de elasticidade, que é o mais próximo do osso dentre os materiais mais utilizados. A segunda é o coeficiente de atrito. O PEUAPM apresenta o mais baixo coeficiente de atrito dentre os polímeros, apresentando menores desgaste do implante e risco para o paciente, sendo, portanto, amplamente utilizado em juntas onde se busca o melhor deslizamento entre as partes. O PEUAPM ganhou aceitação mundial como biomaterial de próteses de joelho e de quadril desde a sua introdução, em novembro de 1962, por John Charnley. Nas próteses de quadril do tipo Charnley este material atua como o componente localizado entre a haste metálica e o osso, denominado de copo acetabular, figura 1 [7]. Pelvis Copo Acetabular Haste Metálica Figura 1: Utilização do PEUAPM como biomaterial de próteses de quadril: a) prótese total de quadril tipo Charnley e b) copo acetabular. O emprego do PEUAPM como o copo acetabular de próteses totais de quadril propicia duas situações antagônicas. Na face que se encontra em contato com o conjunto haste/acetábulo, o baixo coeficiente de fricção, a reduzida perda de volume por abrasão e a baixa reatividade química, resultado do elevado peso molecular e apolaridade da cadeia, constituem-se em características específicas e desejáveis do PEUAPM. Entretanto, estas mesmas características tornam-se

4 desvantagens na face em contato com osso, onde há necessidade de desenvolver uma fixação bioativa. Para unir este polímero ao tecido ósseo a alternativa atual tem sido o uso de cimento a base de polimetilmetacrilato PMMA. Contudo, a reação ocorre in situ com liberação de calor, alcançando até 80 C, e dessa forma provocando severos danos, pois o sangue coagula a 56 C e o colágeno desnatura a 72 C, ocorrendo também a liberação residual de monômeros. Além disso, quando da necessidade de revisão de próteses, ocorre a dificuldade de remoção tanto do cimento restante na cavidade óssea quanto dos tecidos necrosados ali presentes. Neste contexto, a modificação morfológica do polímero tornando-o um material poroso e a sua associação com apatitas, materiais bioativos, proporcionaria a obtenção de um biomaterial adequado para a regeneração e reposição do tecido ósseo, possibilitando a substituição total ou parcial de cimentos à base de PMMA. O objetivo deste trabalho foi a preparação de suportes poliméricos porosos de PEUAPM para posterior deposição de apatitas, visando sua utilização como biomaterial para reposição e regeneração óssea. Como uma análise preliminar à deposição de apatitas pelo método biomimético, foi analisada também a aplicação do método de modificação de superfície proposto por Fook [1], o qual tem como finalidade obter grupos polares na superfície do material que atuarão como sítios ativos induzindo a deposição biomimética de apatitas. Experimental Preparação dos suportes poliméricos de PEUAPM: Foram obtidos suportes poliméricos de PEUAPM por moldagem por compressão do pó de PEUAPM fornecido pela empresa brasileira BRASKEN S/A, utilizando-se uma prensa uniaxial. Foram obtidos corpos de prova com a aplicação de pressão de 2,5 toneladas utilizando-se molde com 1,2cm de diâmetro. Após a moldagem, as amostras foram submetidas a tratamento térmico a 150ºC por 1 hora. A caracterização das amostras foi realizada utilizando-se Microscopia Eletrônica de Varredura MEV, em microscópio JEOL-JSM, modelo T-330 A. Medidas de ângulo de contato, utilizando-se o método da gota pendente em goniômetro TATEC, modelo Cam-Micro e água destilada como líquido de medida, foram realizadas nos suportes poliméricos e em blocos prémoldados também fornecidos pela BRASKEN. Modificação de Superfície: Para uma análise preliminar anterior à deposição de apatita pelo método biomimético, os suportes poliméricos foram submetidos ao método de modificação de superfície descrito por Fook [1], que consiste em manter as amostras em solução de peróxido de hidrogênio 30% pelo período de

5 24 horas a temperatura ambiente, com o objetivo de obter grupos polares na superfície que atuam como sítios ativos para a deposição. A caracterização foi realizada utilizando-se Espectroscopia no Infravermelho com Transformada de Fourier FTIR, com equipamento da Perkin Elmer, FT-IR Spectrometer-Spectrum Resultados e Discussão Caracterização dos suportes poliméricos de PEUAPM A figura 2 apresenta a superfície dos suportes poliméricos de PEUAPM. Nota-se a existência de poros interconectados ao longo de toda a superfície com tamanho médio de aproximadamente 25µm. Figura 2: Superfície dos suportes de PEUAPM na condição lisa: a) MEV 200X e b) MEV 500X. Para efeito de comparação, a figura 3 apresenta a superfície de blocos pré-moldados de PEUAPM na condição liso, também fornecidos pela empresa Brasken S/A, utilizados no estudo de Fook [1]. Nota-se que mesmo na condição lisa a superfície destes blocos não apresenta poros, evidenciando que a moldagem das amostras a partir do pó de PEUAPM é favorável à formação de poros. Pode-se notar também a orientação preferencial das cadeias do polímero. Figura 3: Superfície lisa dos blocos pré-moldados de PEUAPM utilizados por Fook [2005]: a) MEV 1000X e b) MEV 2000X.

6 A tabela 2 apresenta os valores da medida de ângulo de contato obtidos para os suportes porosos e para os blocos pré-moldados de PEUAPM, apresentados na figura 3, ambos na condição lisa. Nota-se, pelo menor valor do ângulo de contato, que a presença de poros ao longo da superfície dos suportes poliméricos ocasiona uma melhor interação entre esta superfície e o líquido de molhamento. Como a solução biomimética a ser utilizada para a deposição de apatitas é uma solução aquosa, constata-se que a superfície com melhor interação com o líquido de molhamento apresenta-se mais favorável ao processo de deposição. Tabela 2: Ângulo de contato dos suportes porosos e dos blocos pré-moldados de PEUAPM, ambos na condição lisa. Amostras Ângulo de contato (q) Suportes porosos 82,3º Blocos pré-moldados 89º Modificação da superfície dos suportes poliméricos de PEUAPM: A figura 4 apresenta os espectros de IV da superfície dos suportes poliméricos antes e após a modificação de superfície. Figura 4: Espectro de IV dos suportes porosos de PEUAPM: a) sem modificação de superfície e b) após modificação de superfície. A amostra sem modificação de superfície apresentou espectro de IV com bandas características do grupo metila (465 e 540 cm -1 ) e da ligação C-C de alcanos (720 cm -1 ), estando em conformidade com o espectro de um hidrocarboneto alifático, figura 4. Após a modificação de superfície, a amostra passa a apresentar espectro de IV com bandas características do grupo OH (de

7 3500 a 3700 cm -1 ), da ligação C-H de alcenos (de cm -1 ) e da região correspondente à insaturação do carbono (de 1545 a 2500 cm -1 ), evidenciando a oxidação da superfície polimérica ocasionada pela utilização de peróxido de hidrogênio, figura 4 [8]. A presença destes grupos na superfície polimérica caracteriza-se como fator importante para a futura deposição de apatitas pelo método biomimétco, pois atuarão como sítios ativos induzindo a deposição dos íons presentes na solução biomimética [1, 9]. Conclusões O método por moldagem do pó e posterior tratamento térmico utilizado neste trabalho possibilitou a obtenção de suportes poliméricos porosos de PEUAPM com tamanho médio de poros de aproximadamente 25µm. Medidas de ângulo de contato indicaram que a existência de poros ao longo da superfície acarreta uma melhor interação entre a superfície e o líquido de molhamento, em comparação a blocos pré-moldados de PEUAPM sem poros, apresentando-se como condição favorável ao processo de deposição. A modificação de superfície utilizando-se peróxido de hidrogênio 30% mostrou-se satisfatória, pois propiciou a formação de grupos polares na superfície dos suportes poliméricos, os quais atuarão como sítios ativos para a futura deposição de apatita pelo método biomimético. Agradecimentos Os autores agradecem a FAPESP, a Capes e ao CNPq /PIBIC. Referências Bibliográficas 1. M.V.L. Fook, Tese de Doutorado, Universidade Estadual Paulista, L.L. Hench Biomaterials 1998, 19, BIOMATERIALES de naturaleza inorgânica: metales, aleaciones y cerâmicas. Disponível em: < Acesso em: 4 jan M. Long; H.J. Rack Biomaterials 1997, 19, W. Cao Ceram. Int. 1996, 22, F.M.B. Coutinho; I.L. Mello; L.C.S. Maria Polímeros: Ciência e Tecnologia 2003, 1, M.B. Turell; A. Bellare Biomaterials 2004, 25, R.M. Silverstein, Identificação espectrométrica de compostos orgânicos. Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, T. Kokubo Acta Mater. 1998, 7, 2519.