Palavras-Chaves: Biocerâmicas, hidroxiapatita, gel casting

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1 1 PRODUÇÃO DE BLOCOS POROSO DE BIOCERÂMICA HIDROXIAPATIA PELO METODO GEL CASTING DE ESPUMAS Maria Beatriz Borsa, Tiago Moreno Volkmer, Luis Alberto dos Santos Departamentos de Materiais Escola de Engenharia UFRGS Biocerâmicas porosas são utilizadas para que se forneça local para o tecido ósseo crescer e fixar o implante biologicamente. Foi utilizada hidroxiapatita, que é uma cerâmica bioativa, permite crescimento de tecido ósseo e revascularização da área de implante pela ligação química estabelecida entre a fase mineral dos ossos com a hidroxiapatita sintética. O processo gel-casting de espumas consiste na incorporação de uma fase gasosa dispersa dentro de uma suspensão cerâmica contendo tipicamente o pó cerâmico, água, defloculantes, ligantes e agentes de gelificação, este fornece uma matriz altamente densificada e poros esféricos. As variáveis estudadas foram: quantidade de sólido, velocidade de agitação e quantidade de dispersante e temperatura de sinterização. Posteriormente os blocos obtidos foram imersos em SBF (Simuleted Body Fluid), por períodos de tempos crescentes até dez semanas, e logo após avaliados a sua resistência mecânica à compressão, superfície de fratura, densidade e porosidade aparentes, fases cristalinas e grupos químicos. Palavras-Chaves: Biocerâmicas, hidroxiapatita, gel casting 1. Introdução A engenharia de tecidos se apresenta como uma alternativa para substituir tecidos ósseos infectados ou danificados. O grande desafio da engenharia de tecidos é desenvolver um scaffold com porosidade suficiente e com alta resistência mecânica para permitir a adesão, migração, crescimento e proliferação celular resultando em uma boa integração com os tecidos vizinhos. Um grande número de materiais vem sendo utilizado para fabricar scaffolds para o osso como polímeros, biovidros e uma grande variedade de fosfatos de cálcio [1]. Por possuir similaridade química com a fase mineral dos tecidos ósseos, a hidroxiapatita é um dos materiais mais biocompatíveis conhecidos,

2 2 favorecendo o crescimento ósseo para os locais em que ela se encontra (osteocondutor), estabelecendo ligações de natureza química entre a hidroxiapatita e o tecido ósseo (bioativo), permitindo a proliferação de fibroblastos, osteoblastos e outras células ósseas, sendo que as células não distinguem entre a hidroxiapatita e a superfície óssea, o que indica a grande similaridade química superficial. Ela, também, possui a capacidade de trocar íons com o meio fisiológico levando ao equilíbrio entre implante e osso. [2,3] A superfície da hidroxiapatita permite a interação de ligações do tipo dipolo, fazendo com que moléculas de água e também, proteínas e colágeno sejam adsorvidas na superfície induzindo assim, a regeneração tecidual [4]. A razão para a utilização de cerâmicas porosas é fornecer local para o tecido ósseo crescer e fixar o implante biologicamente. Para o crescimento ocorrer, o tamanho do poro deve ser grande o bastante para acomodar as células, juntamente com o sistema de irrigação sangüínea, ficando por volta de µm de diâmetro [5]. Existe, no entanto, alguns problemas inerentes ao uso de materiais porosos. Em razão da comparável grande área superficial interfaciando o tecido, a estabilidade e limite de toxidade necessárias ao material são mais severas. Além disso, a porosidade tende a degradar as propriedades mecânicas dos materiais. De acordo com a teoria de Griffith, os poros grandes apresentam uma maior influencia sobre a resistência mecânica do que os poros pequenos, de modo que a resistência mecânica decresce mais rapidamente para maiores concentrações de macroporos do que de microporos [6, 7].Dessa forma, considerando-se os poros como sendo os defeitos concentradores de tensão pode-se afirmar que a tensão de ruptura é menor para poros com maior volume. A resistência das amostras não depende somente do volume total de poros, mas também das dimensões dos poros [8]. O processo gel casting de espumas consiste na incorporação de uma fase gasosa dispersa dentro de uma suspensão cerâmica contendo tipicamente o pó cerâmico, água, defloculantes, ligantes e agentes de gelificação. A incorporação pode ser feita através de agitação da suspensão. Após a etapa de formação de espuma o material é geleificado pela polimerização in situ de monômeros orgânicos [9-11] e o controle do tempo de geleificação é primordial

3 3 para a obtenção de porosidade controlada e que permita sua reprodutibilidade. A rápida polimerização dos monômeros imediatamente após a formação da espuma impede o colapso desta, resultando, após secagem e sinterização em um material poroso, com paredes altamente densificadas e poros esféricos. A produção da espuma em uma suspensão cerâmica só é possível através do uso de um surfactante, o qual estabiliza a interface líquido-gás [12] entre a suspensão e as bolhas de ar incorporadas por agitação. As moléculas dos surfactantes são compostas por uma porção polar (hidrofílica) e outra apolar (hidrofóbica). Estas moléculas ao se posicionarem na interface líquido-gás diminuem a tensão superficial das bolhas, tornando-as mais estáveis.o SBF é composto por inúmeros íons e ânions, visando simular as espécies encontradas na corrente sanguínea dos seres humanos. Tal solução é muito importante para testar a taxa de degradação de um material quando em contato com o organismo humano. É comum que ocorra a perda de resistência mecânica de um material implantado quando em contato com o organismo devido a reações químicas que ocorrem entre o material e os fluidos corpóreos. A determinação da taxa de degradação do material é importante para descobrir qual o tipo de aplicação que será destinada para este. Este estudo trata sobre a produção de blocos porosos de hidroxiapatita (scaffolds) através do método gelcasting de espumas. Os parâmetros estudados foram o teor de sólido, o teor de surfactante e a velocidade de agitação. A morfologia, tamanho e distribuição de tamanho dos poros foi caracterizada utlizando-se Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). Difração de Raios-X e Infravermelho foram utilizados para caracterizar a estrutura cristalina e composição química. A resistência mecânica foi medida por meio de ensaios de compressão. 2. Materiais e Métodos A hidroxiapatita utlizada neste trabalho foi obtida em laboratório pelo método via-úmida [2]. A solução aquosa de monômero (pré-mix) na qual a hidroxiapatita é suspensa é composta pelo monômero orgânico acrilamida (C 6 H 5 NO), fornecida pela VETEC, pelo comonômero N,N

4 4 metilenobisacrilamida difuncional (MBAM), pelo catalisador N,N,N,N - tetrametiletilenodiamina (TEMED), os dois últimos fornecidos pela Sigma- Aldrich Corporation e pelo dispersante de poliacrilato de amônia Disperlan L.A (Lambra S/A). O agente surfactante utilizado foi o LUTENSOL ON 110 (Basf). O iniciador utlizado foi o persulfato de amônia 98%+ ACS (NH 4 ) 2 S 2 O 8. Todas as suspensões foram feitas em água destilada e deionizada. A hidroxiapatita obtida em laboratório por via-úmida foi posteriormente moída em álcool etílico por 24 horas para homogeneizar o tamanho das partículas e a área superficial. Para verificar a presença de outras fases na HAp obtida foram feitas análises de RX (Difratômetro Phillips X Pert MPD, tubo Cu - K α = 1,5418 Ǻ). Os picos identificados nas análises foram confirmados usando os arquivos padrões da Joint Committee on Powder Difraction. Com o mesmo fim também foi utilizada a técnica de Espectroscopia por Infravermelho (Stpectrum 1000). A análise do tamanho das partículas foi feito através de micrografias obtidas por Microscopia Eletrônica de Varredura (Jeol 6505). Os blocos porosos foram obtidos através do método gel casting de espumas. Na primeira etapa pesou-se 100 gramas de hidroxiapatita para fazer uma suspensão entre o material e uma solução aquosa de monômero, chamada pré-mix, cuja composição encontra-se na tabela 1. À suspensão foram adicionados teores de 0,75 à 1,25% de Lutensol (agente surfactante) [13] e, então, ela foi agitada a uma velocidade definida por um determinado tempo para a formação de uma espuma cerâmica, possuindo a estrutura desejada. Tabela 1. Percentual e função dos elementos da Pré-mix em relação a quantidade de água destilada e deionizada Elemento Quantidade (%) Função Acrilamida 20 Monômero N,N metilenobisacrilamida difuncional (MBAM) 0,4 Comonômero N,N,N,N -tetrametiletilenodiamina (TEMED) 0,156 Catalisador Poliacrilato de Amônia 3 Dispersante

5 5 O gel foi formado pela polimerização do monômero com a adição de 1% de persulfato de amônia, que é o iniciador da reação de polimerização. Posteriormente, o material foi vasado em um molde na forma de pequenos cilindros cuja altura é duas vezes maior do que o diâmetro da base, os cilindros possuem as dimensões de 8 X 16 mm. Posteriormente os cilindros foram colocados em um dessecador por 24 horas e finalmente secos em uma estufa a 100 C por 24 horas. Depois de secos os corpos de prova foram sinterizados a 1180 C por uma hora em um forno (Sanchis) com rampa de aquecimento de 150 C/h. A porosidade dos corpos porosos de HAp obtidos pelo método gel casting foi determinada pelo método geométrico, ou seja, a massa dos cilindros era dividido pelo volume obtido pela multiplicação de suas dimensões. Esse valor era comparado com o valor da densidade teórica da HAp (3,156 g/cm 3 ). Para cada medida de porosidade foram utilizados 6 corpos de prova. O tamanho de poros, a interconectividade entre os poros e a estrutura dos grãos foram examinados por MEV (Jeol 6505). Pelo menos 2 amostras eram analisadas no MEV. As cerâmicas analisadas foram revestidas com uma fina camada de Ouro para permitir a condução de elétrons. O diâmetro e a distribuição dos poros foi medida para cada micrografia utilizando-se o software analisador de imagens Image Tool. Os blocos porosos de hidroxiapatita imersos em SBF foram caracterizados suas densidade e porosidade pelo método geométrico, microestrutura, por microscopia eletrônica de varredura, resistência mecânica à compressão, fases cristalinas, por difração de raios X qualitativa, análise da superfície de fratura, por microscopia eletrônica de varredura e grupos químicos, por espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier. A resistência à compressão foi medida por ensaios de compressão com uma máquina universal de ensaios ATS (modelo 1105 C) que realizava um ensaio do tipo compressão. A velocidade de aproximação da travessa era de 1 mm/min. Os corpos de prova eram dimensionados na razão altura para diâmetro de 2:1. As dimensões eram de 8 mm de diâmetro para 16 mm de altura. Para o cálculo da resistência à compressão foram utilizados seis corpos de prova. Os cilindros eram cobertos por uma pequena espuma nos pontos de

6 6 contato com a máquina de ensaios, no intuito de distribuir uniformemente a carga. A tensão de ruptura foi calculada dividindo-se a carga final de ruptura do corpo pela área da base desse. 3. Resultados e Discussões Os blocos porosos de hidroxiapatita (Hap) foram produzidos variando-se o teor de sólido (65, 68 e 70% de hidroxiapatita) e o teor do agente espumante (0,75, 1 e 1,25% de Lutensol) em relação à massa de hidroxiapatita. Os blocos produzidos com 68% de hidroxiapatita apresentaram a menor densidade, logo a maior porosidade e, consequentemente a menor resistência mecânica, quando comparados às duas outras composições testadas, como pode ser visto na figura 1. Os blocos com 70% de Hap apesar de terem maior resistência mecânica não apresentaram poros interconectados entre si, ao contrário dos feitos com 65% de hidroxiapatita que apresentaram poros esféricos e interconectados como é possível observar nas micrografias da figura 2a. Figura 1. Gráfico de resistência mecânica à compressão x densidade (g/cm -3 )

7 7 Figura 2. Micrografia mostrando poros não interconectados para 70% de Hap na figura da esquerda (aumento de 154x) e poros interconectados para 68% de Hap na figura da direita (aumento de 144x). De acordo com o gráfico da figura 2b, a amostra com 68% de teor de sólido tem a menor resistência mecânica, que pode ser explicado pelo fato de ele possuir poros com tamanho maior do que os anteriores. Nesta figura podem ser observados poros muito grandes e bastante interconectados o que favorece a diminuição da resistência mecânica. Após o estudo da variação do teor de sólido foi fixado em 65% o teor de hidroxiapatita já que esta composição apresentou a melhor relação entre interconexão de poros e resistência mecânica. A próxima variável estudada foi o teor de espumante presente na suspensão; foram testadas as seguintes porcentagens em relação à massa de hidroxiapatita: 0,75 ; 1,00 e 1,25%. Figura 3. Gráfico de teor de espumante x densidade

8 8 A menor densidade foi obtida para o teor de 1% de espumante. Para os teores de 0,75 e 1,25% esse valor foi maior. O gráfico é semelhante ao mesmo gráfico para o estudo do teor de sólidos. È possível ver a partir do gráfico da figura 3 que a densidade aumenta para valores maiores que 1% de surfactante. Tal quantidade deve estar acima do limite de solubilidade do surfactante em uma suspensão, que é chamado de concentração micelar crítica (CMC). De acordo com Ortega [13], acima deste ponto as moléculas de surfactante passam a se agrupar em micelas, de modo que a porção hidrofóbica das moléculas se orienta para o interior da estrutura, evitando o contato com a água. Assim, a adição de quantidades superiores de surfactante não contribui efetivamente para aumentar a quantidade e tamanho de poros. O tamanho médio de poros foi medido e, somente as amostras com 1% de Lutensol tinham tamanho médio de poro adequado de ~150 µm. Uma possível explicação para a porosidade não ter sido constante para quantidades percentuais maiores de Lutensol, já que a concentração micelar crítica foi alcançada, e um possível colapso da estrutura devido a esse excesso de espumante. Possuindo menos poros e estes sendo menores, a resistência mecânica tende a aumentar. O terceiro parâmetro a ser variado foi a velocidade de agitação do sistema. Foram testadas as seguintes velocidades: 600; 800 e 1000 RPM. Na velocidade de 1000 RPM a estrutura porosa colapsou antes do final da polimerização, inviabilizando a estabilização da fase gasosa incorporada na suspensão cerâmica. Tabela 2. Velocidade de agitação vs. Resistência Mecânica. Velocidade (RPM) R.M. à Compressão (MPa) Desvio Padrão ,25 0, ,39 0,47 No estudo da imersão dos blocos porosos de hidroxiapatita em SBF, podese notar no gráfico da figura 4 que mostra o número de semanas versus a densidade que ocorre um aumento na porosidade com o aumento do tempo de

9 9 imersão. Porém esse aumento vai diminuindo depois de 2 semanas de imersão. Como era de se esperar com o aumento da porosidade, ocorreu uma diminuição na resistência mecânica. O aumento da porosidade pode ser visto nas micrografias obtidas por microscopia eletrônica de varredura. Figura 4. Porosidade Aparente X Número de Semanas Figura 5. Micrografia obtida por MEV mostrando a porosidade dos blocos porosos de hidroxiapatita em zero, duas e quatro semanas de imersão em SBF. Aumento de 100X A análise de infravermelho com transformada de Fourrier, mostra que não há alteração na composição química nos blocos imersos em solução de SBF ao longo do tempo. O que é mostrado na figura 6 e confirmado nas análises de difração de raios-x.

10 10 Figura 6. Espectrogramas de infravermelho As análises de difração de raios-x mostram que não há variação na composição química do material. A pequena quantidade de trifosfato de cálcio beta existente na hidroxiapatita continua presente após quatro semanas de imersão. O que é mostrado na figura 7.

11 11 Figura 7. Difrações de RX dos blocos porosos imersos em SBF por zero e quatro semanas Olhando-se de perto a região por volta de 31 tetha pode-se ver que ocorre uma diminuição na área do pico da semana quatro em relação ao pico da semana quatro. Isso pode comprovar que a porosidade está aumentando devido à retirada do trifosfato de cálcio que se encontra perto dos poros, aumentando dessa forma a porosidade dos blocos, o que pode ser visto nas micrografias obtidas por microscópio eletrônico de varredura (MEV) e é mostrado na figura 5. O aumento da porosidade com o tempo de imersão era esperado, pois a presença da fase B-TCP na hidroxiapatita diminui a resistência desta ao meio, pois o B-TCP possui uma maior taxa de degradação em meio fisiológico do que a HAp. Dessa maneira era esperado que ocorresse uma diminuição na quantidade de beta trifosfato de cálcio ao longo do tempo. Quanto mais cristalina a hidroxiapatita, mais difícil fica para os íons entrarem na estrutura cristalina dela, degradando-a. Dessa forma a obtenção de hidroxiapatita cristalina é muito importante para se obter taxa de degradação baixa. Em contrapartida, o aumento da porosidade com o tempo de imersão é bom para permitir o crescimento de tecido ósseo no interior do material, o que melhora a fixação do implante e com o tempo pode prover um aumento na resistência mecânica. 4. Conclusões Foram obtidos blocos porosos de hidroxiapatita, com potencial uso como implantes nas áreas de ortopedia, traumatologia e odontologia, por meio do processo gel casting de espumas, com poros esféricos interconectados e tamanho de poro maior do que 150 µm, o que pode permitir o crescimento ósseo e a fixação biológica do implante. A resistência mecânica das peças é adequada para o uso como implante em locais onde a solicitação mecânica seja baixa. Dentre os parâmetros estudados os melhores resultados foram

12 12 obtidos utilizando-se 65% de teor de sólido, 1% de surfactante e a velocidade de agitação não mostrou variação significativa entre os valores estudados. 5. Referências Bibliográficas 1. Cyster, L.A.. Grant D.M.; et al The influence of dispersant concentration on the pore morphology of hydroxyapatite ceramics for bone tissue engineering 2. Aoki, H.; Science and Medical Applications of Hydroxyapatite, Takayama Press System Center Co., Inc., Tokyo, LeGeros, R. Z.; Calcium Phosphates in Oral Biology and Medicine Monography in Oral Science Vol 15, S. Karger, Switzerland, Hench, L. L.; Wilson, J.; Introduction to Bioceramics. Vol.1, Word Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 1993, p Matsura, L. B.; Santos, L. A.; Boschi, A. O.; Formação de Poros em Hidroxiapatita através da Adição de Polímeros - V CIC UFSCar - V Congresso de Iniciação Científica Universidade Federal de São Carlos, São Carlos - SP, 15 a 17 de Setembro de Vol. 1 -pag. 103 [293]. 6. Reed S. J.; Introduction to the Principles of Ceramic Processing. John Wiley & Sons, Inc., Kingery, W.D., Bowen HK, Uhlmann DR Elasticity, anelasticity and strength of ceramics; In: Introduction to Ceramics. New York; Wiley; Huec J.C. et ali; Influence of porosity on the mechanical resistance of hydroxyapatite ceramics under compressive stress. Biomaterials 18 (1995) Sepulveda, P.A, Innocentini, M.D.M, Pandolfelli; Propriedades de Hidroxiapatita porosa para aplicações biomédicas, 43 Congresso Brasileiro de Cerâmica, Sepúlveda, P.; Gelcasting Foams for Porous Ceramics The American Ceramic Society Bulletin, 76, 10, Outubro Young, A. C.; Omatete, O. O.; Janney, M. A.; Menchhofer, P. A.; Gelcasting of Alumina, J. Am. Ceram. Soc. n. 74 v.3 p , 1998.

13 Sepulveda, P.A, Binner, J. G. P.; Processing of Cellular ceramics by Foaming and in situ polymerisation of Organic Monomers, J.Eur. Cer. Soc., Ortega, F.S, et al.; Estudo de surfactante para a produção de espumas cerâmicas pelo processo gelcasting 43 Congresso Brasileiro de Cerâmica, PRODUCTION OF POROUS BIOCERAMIC HYDROXYAPATITES BLOCKS BY GEL CASTING FOAMS METHOD Tiago Moreno Volkmer, Maria Beatriz Borsa, Luis Alberto dos Santos Departamentos de Materiais Escola de Engenharia UFRGS Porous bioceramics are used to give supplies bone place weaveeed it to grow and to fix the implant biologicaly. It was used hydroxyapatite, that is bioactive ceramics, allows bone growth and revascularization of the area of implantation for the established chemical linking enters the mineral phase of the bones with the synthetic hydroxyapatite. The gelcasting foams process consists in the incorporation of a dispersed gaseous phase inside a ceramic suspension contends typically the ceramic dust, water and gelation agents, this highly supplies to a densificated matrix and spherical pores. The studies variable had been: amount of solid, speed of agitation and amount of dispersant. Later the gotten blocks had been immersed in SBF (Simuleted Body Fluid), for periods of increasing times up to ten weeks, and soon after evaluated its resistance mechanics to the compression, apparent surface of breaking, density and crystalline porosity, phases and chemical groups. Key-words: Bioceramics, gelcasting foams, hydroxyapatite