Justificativa/motivação para realização do projeto:

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1 Título do projeto: Síntese e Caracterização de Compósito Vidro Bioativo/PLGA por impressão 3D Linha de Pesquisa: Ciências e Engenharia de Materiais - Biomateriais Justificativa/motivação para realização do projeto: Nos últimos anos, busca-se uma boa relação entre as respostas biológicas do sistema orgânico hospedeiro e as funções estruturais desempenhadas pelos biomateriais nele contido. Dessa forma, o equilíbrio biocompatibilidade/ biofuncionalidade tem sido estudado para novas aplicações de materiais. Para promover uma sinergia entre materiais, os compósitos surgem como alternativa em aplicações biomédicas. Elementos de reparação óssea formulados através de cerâmicas bioativas e polímeros biodegradáveis garantem uma boa osteointegração e resistência mecânica ao sistema que o contém. As possibilidades de impressões 3D de materiais para aplicações biomédicas vêm se mostrando promissoras, principalmente pelo fato de que podem garantir a personalização do implante e a rapidez de produção. Entretanto, as modificações sofridas pelo material, devido ao processo de fabricação, ainda são desafiadoras. Sabe-se, por exemplo, que a viscosidade da matéria prima interfere no processo e nas características do material final. Nesse contexto, este trabalho propõe desenvolver compósitos de vidro bioativo (BaG)/ poli (ácido lático-ácido glicólico) (PLGA) por impressão 3D. Objetivos: Produzir um material compósito de BaG/PLGA com características morfológicas, químicas e mecânicas para impressão 3D que garantam boa aplicação na reparação óssea. Em detalhes, tem-se como objetivos específicos: Fabricar compostos BaG/PLGA em blocos porosos pelo método sol-gel em meio ácido. Analisar a estrutura de poros dos materiais obtidos por ensaios de adsorção de nitrogênio, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microtomografia de raios X (micro-ct). Caracterizar quimicamente o material tratado termicamente utilizando fluorescência de raio X (FRX). Analisar os parâmetros do processo de impressão 3D em relação à viscosidade, porosidade, surgimento de trincas e retração do material comparando os resultados com amostras de várias blendas poliméricas. Avaliar a resistência mecânica e a influência das proporções dos materiais no compósito obtido. Estratégia experimental planejada para se alcançar os objetivos: Síntese do BaG por sol-gel, do PLGA por polimerização em massa e do compósito por mistura e agitação em ph ácido. Caracterização estrutural e mecânica dos materiais obtidos. Principais referências consultadas: ORÉFICE, Rodrigo Lambert; PEREIRA, Marivalda de Magalhães; MANSUR, Herman Sander. Biomateriais: fundamentos e aplicações. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, p. COSTA, Hermes de Souza. Síntese, Caracterização e Avaliação do Comportamento Degradativo de Híbridos Porosos de Poli (Álcool Vinílico)/Vidro Bioativo. Belo Horizonte, Escola de Engenharia da UFMG, p. (Dissertação, Doutorado em Eng. de Materiais) SILVA, Anamaria Teodora. Síntese e Caracterização do copolímero PLGA e estudos in vitro de sua degradação e liberação do fármaco Atenolol. Belo Horizonte, Engenharia Química da UFMG, p. (Dissertação, Doutorado em Engenharia de Materiais) 1

2 1. Introdução Com o aumento da longevidade, o desempenho da estrutura do esqueleto decai devido ao aumento da desmineralização e da porosidade. Os problemas surgem devido a fraturas sofridas pelo impacto e se tornam crônicos com a dificuldade de reparação devido à idade avançada ou região do corpo. Estes problemas tornam-se maiores em populações com altos índices de pessoas mais velhas ou em pacientes que necessitam de uma troca constante de próteses, como crianças em fase de crescimento. As propriedades apresentadas pelo osso se devem, em grande parte, pela combinação de hidroxiapatita carbonatada (componente rígido) com fibras colágenas (componente elástico). Dessa forma, um material projetado para desempenhar essas funções também deve possuir a mesma combinação de propriedades. Para tanto se utiliza elementos combinados como o vidro bioativo que desempenha a mesma função mecânica e química da hidroxiapatita e polímeros que possuem características semelhantes àquelas das fibras colágenas (ORÉFICE et al., 2006). A utilização de peças com esforços distribuídos formadas a partir de materiais compósitos tem um melhor desempenho em relação a pinos, uma vez que possibilitam maior vascularização do periósteo, evitando a necrose e o crescimento heterogêneo na área de contato, além de evitar a reabsorção óssea devido às pressões excessivas produzidas pelos pontos de apoio. Essa reabsorção pode levar a quadros locais de baixa densidade óssea, tornando a região frágil e susceptível à uma nova fratura. Portanto, a placa de fixação diminuiria os esforços sobre o tecido e, com suas propriedades biológicas, culminaria na formação de osso lamelar totalmente reparado, sem a formação de cicatrizes (FOUAD, 2010). As cerâmicas mais estudadas para aplicações biomédicas são os vidros ou vitrocerâmicas bioativas, que são capazes de interagir mais fortemente com os tecidos vivos. Eles são projetados para que existam reações controladas em sua superfície, o que garante uma boa propriedade osteoindutora, principalmente devido às composições que contém CaO, P2O5 e Na2O, além da sílica. Polímeros utilizados na área da saúde, mais especificamente em implantes, devem apresentar características como boa biocompatibilidade e bio-reabsorção. O copolímero poli(ácido láticoácido glicólico), PLGA, é bastante biodegradável e dá espaço suficiente para o rápido crescimento celular. A utilização destes dois materiais ao mesmo tempo é necessária para se conseguir uma viscosidade compatível com o processo de fabricação 3D com um resultado satisfatório (MINATA, 2013). Portanto, este trabalho pretende produzir um material compósito de BaG/PLGA com características morfológicas, químicas e mecânicas para impressão 3D que garantam boa aplicação na reparação óssea. 2. Materiais e Métodos Sintetizar materiais com várias proporções entre BaG/PLGA para realizar todos os testes e avaliações do processo de impressão 3D. 2.1 Preparação de PLGA A preparação do PLGA pode ser feita utilizando o procedimento similar àquele proposto por Silva (2015). Brevemente, esse processo envolve a polimerização em massa do diéster cíclico do ácido glicólico e o diéster cíclico do l-ácido lático a pesagem conforme as proporções iniciais de 30/70, 50/50 e 70/30. A adição de octanoato de estanho Sn(Oct)2 é desejável, uma vez que ele atua como catalizador da reação. Os reagentes devem ser misturados sob agitação magnética branda e aquecidos até 175 ºC. Após o resfriamento à temperatura ambiente deve-se adicionar cloreto de metileno anidro para dissolução e posteriormente precipitar o PLGA em metanol anidro. 2

3 2.2 Preparação BaG O vidro bioativo será preparado na composição 58% SiO2, 33% CaO e 9% P2O5 p/p pelo método sol-gel com a mistura de tetraetilortosilicato (TEOS), trietilfosfato (TEP), cloreto de cálcio e solução de ácido clorídrico em água deionizada com ph próximo a 2, na razão molar H2O/TEOS de 12:1. Em seguida, o gel obtido é submetido às etapas de secagem e tratamento térmico. 2.3 Híbridos As soluções de PLGA e BaG devem ser misturadas conforme as proporções 70/30, 50/50, 30/70, sob agitação branda e temperatura ambiente. Logo após a mistura a solução começa a ter um aumento notável de viscosidade, geleificando em seguida. Nesse momento a solução deve ser vedada com papel filme para que as reações dependentes de água aconteçam. Posteriormente a solução será envelhecida por três dias à temperatura ambiente. Após esse período, o papel-filme será retirado e as amostras permanecerão por mais sete dias de secagem em ambiente aberto, sendo então colocadas em um dessecador. Sob baixa pressão as amostras ficarão no dessecador com sílica para posterior utilização na impressora 3D. As amostras híbridas de BaG/PLGA com diferentes composições em peso serão analisadas por MEV e FRX. A sequência do processo de síntese segue conforme mostrado na Figura 1. Figura 1: Esquema das etapas seguidas na obtenção do compósito BaG/PLGA. 2.4 Caracterização Para análise das amostras no MEV, elas serão imersas em nitrogênio líquido e então, fraturadas. A superfície de fratura formada será analisada. Nessa análise se pretende observar a morfologia dos poros formados. Para FRX e micro-ct, as amostras não necessitam de preparação. Para os ensaios mecânicos, os corpos de prova serão preparados conforme descrito em norma ASTM. 3

4 Ensaio de adsorção de nitrogênio será feito nas partículas de BaG obtidas de forma a monitorar sua área superficial específica e distribuição de tamanho de poros. A reologia das suspensões cerâmicas serão analisadas no Ciência e Tecnologia de Polímeros do Departamento de Engenharia Química (DEQ) da UFMG. 3. Infraestrutura e Recursos Necessários Para a etapa de síntese de materiais, será utilizado o Biomateriais do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais (DEMET) da UFMG. Pretende-se usar o Laboratório Aberto do CETEC-FIEMG ou o Combustíveis e Combustão do Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG para realização das impressões 3D. Vale salientar que ambos os laboratórios possuem equipamentos que atendem aos requisitos desse projeto (resolução de impressão, temperatura, extrusora e dimensões máximas de impressão). As caracterizações serão feitas utilizando a infraestrutura disponível no. Além disso, outros laboratório e serviços externos, como Centro de Microscopia da UFMG, também poderão ser utilizados. A Tabela 1 detalha a infraestrutura necessária para a realização dessa pesquisa. Tabela 1- Detalhamento da infraestrutura necessária. TAREFA TÉCNICA UTILIZADA LABORATÓRIO INSTITUIÇÃO Síntese de materiais - biomateriais - Laboratório Aberto CETEC-FIEMG Impressão 3D - Combustíveis e Combustão DEMEC-UFMG Estudos reológicos Ciência e Tecnologia de Polímeros DEQ-UFMG Espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier Materiais Opto-Eletrônicos Caracterizações Calorimetria exploratória diferencial Engenharia de Polímeros e Compósitos Adsorção gasosa de N 2 hidrometalurgia Microscopia eletrônica de varredura Centro de microscopia UFMG Microtomografia de raios X biomateriais Fluorescência de raios X raios X DEMIN-UFMG 4

5 4. Cronograma de Execução As principais etapas do trabalho são listadas abaixo e detalhadas na Tabela 2 1- Revisão Bibliográfica 2- Preparação das partículas de BaG 3- Preparação das blendas do PLGA 4- Obtenção do compósito BaG/PLGA 5- Impressões 3D 6- Caracterizações 7- Elaboração de artigos científicos 8- Redação da dissertação 9- Preparação para a defesa da dissertação. Tabela 2- Cronograma de execução dessa pesquisa. ANO BIMESTRE x x x x x x x x x x 2 x x x 3 x x x 4 x x x x 5 x x x x x 6 x x x x x x x x 7 x x x x 8 x x x x 9 x x ATIVIDADE As etapas críticas são a formulação das blendas de PLGA e impressão 3D, uma vez que diversos parâmetros podem influenciar as características finais do material. 5. Referências Bibliográficas BO, Lei; LING, Wang; XIAOFENG, Chen. Biomimetic and molecular level-based silicate bioactive glass gelatin hybrid implants for loading-bearing bone fixation and repair. Journal of Materials Chemistry B, v. 38, p , COSTA, Hermes de Souza. Síntese, Caracterização e Avaliação do Comportamento Degradativo de Híbridos Porosos de Poli (Álcool Vinílico)/Vidro Bioativo. Belo Horizonte, Escola de Engenharia da UFMG, p. (Dissertação, Doutorado em Engenharia de Materiais) FOUAD, H. et al. Effects of the bone-plate material and the presence of a gap between the fractured bone and plate on the predicted stresses at the fractured bone. Riyadh: Elsevier Ltd., p , MINATA, Mauricio; MOTTA, Adriana; BARBO, Maria Lurdes; RINCON, Maria do Carmo. Estudo da biocompatibilidade da blenda de poli(l-ácido láctico)/policaprolactona-triol. Polímeros [online], vol.23, n.2, pp ,

6 ORÉFICE, Rodrigo Lambert; PEREIRA, Marivalda de Magalhães; MANSUR, Herman Sander. Biomateriais: fundamentos e aplicações. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, p. PALMA, Mariana et al.; Avaliação Da Citotoxicidade In Vitro De Superfícies Recobertas Por Nanotubos De Carbono De Parede Múltipla (Mwcnt). São José dos Campos, INPE, p. (Relatório final de Iniciação Científica) PEREIRA, Karla Regina. Avaliação Da Citotoxicidade In Vitro De Ligas Metálicas de Titânio para Aplicação Odontológica. São Carlos, Universidade de São Paulo, p. (Dissertação, Mestrado em Ciências e Engenharia de Materiais) RATNER, Buddy D. et al. Biomaterials science: an introduction to materials in medicine. 2. ed. San Diego: Elsevier Academic Press, p. SILVA, Anamaria Teodora. Síntese e Caracterização do copolímero PLGA e estudos in vitro de sua degradação e liberação do fármaco Atenolol. Belo Horizonte, Engenharia Química da UFMG, p. (Dissertação, Doutorado em Engenharia de Materiais). 6