Síntese e Caracterização de Matrizes Híbridas Tridimensionais de Vidro Bioativo Reforçadas com Polímero Poli (ácido acrílico) (PAA)

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1 Síntese e Caracterização de Matrizes Híbridas Tridimensionais de Vidro Bioativo Reforçadas com Polímero Poli (ácido acrílico) (PAA) B. M. Melo (1); J. B. F. Souza (1); E. S. Costa Júnior (1); H. S. Costa (1) (1) Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais - CEFET-MG odontologiabarbara@gmail.com Resumo: Atualmente há enorme demanda para utilização de enxertos e próteses no tratamento de danos ósseos. Vidros bioativos (VB) representam materiais biodegradáveis promissores devido às propriedades biológicas. Entretanto apresentam baixa resistência mecânica comparada aos esforços presentes nos tecidos ósseos. Para melhorar propriedades mecânicas destas cerâmicas uma alternativa é sua combinação com polímeros sintéticos. Polímero sintético com uso consagrado em cirurgias esqueléticas é o poli (ácido acrílico)(paa), aplicado como cimento ósseo. Este estudo objetiva desenvolver hidrogel biocompatível VB/PAA, com resistência mecânica compatível e degradação controlada. Para tanto, foram sintetizados compósitos via método sol-gel com variações dos reagentes TEOS, TEP e CaCl 2, adicionados em suspensão de PAA. Análises morfológicas mostraram partículas esféricas aglomeradas e presença de porosidades no material. Análise DRX sugere estrutura semicristalina após associação PAA-vidro. Os resultados indicam necessidade de formulações específicas e ph modulado para controle do arranjo polimérico e obtenção de estrutura apropriada no tratamento de defeitos ósseos. Palavras-chave: Enxerto ósseo, Matriz porosa, Vidro bioativo, PAA INTRODUÇÃO Com o aumento na expectativa de vida torna-se necessária a busca por materiais que desempenhem sua função por período de tempo apropriado, proporcionando melhor qualidade de vida. A reconstrução de grandes segmentos ósseos continua sendo um problema clínico importante, no caso de eventos patológicos, tais como trauma, inflamação e tratamento cirúrgico de tumores. As abordagens terapêuticas atuais incluem enxertia óssea de diferentes biomateriais, mas nenhuma delas revelou-se plenamente satisfatória (1,2) o que justifica a necessidade de obter melhores materiais para preenchimento e para utilização como cimentos ósseos.

2 Diferentes biomateriais têm sido investigados no reparo de tecido ósseo, sendo a seleção de materiais fundamental no desenvolvimento de matriz tridimensional, uma vez que suas características determinam as propriedades da matriz. Como exemplo podemos citar cimentos ósseos que são biomateriais sintéticos utilizados na estabilização de próteses, de suma importância no momento pós-cirúrgico, sendo os mais utilizados atualmente à base de polimetilmetacrilato (PMMA) e hidroxiapatita (HA). Os vidros bioativos (VB) são materiais osteoindutores e osteocondutores à base de sílica amorfa, que apresentam classe A de bioatividade, caracterizada pelo estabelecendo rápido de ligação com tecidos biológico (3). Entretanto, os VB têm baixa resistência à compressão (4). Uma abordagem conveniente para melhorar suas propriedades mecânicas é misturá-los com fase composta de polímeros sintéticos ou biológicos (5). O poli (ácido acrílico) (PAA) é um polímero biocompatível, solúvel em água e em solventes polares (6). Tem extensas aplicações como agente espessante em tintas, no campo dos adesivos, em formulação de produtos farmacêuticos, cosméticos e da agricultura (7). Derivados do poli (ácido acrílico) e seus sais sódicos representam a classe de agentes dispersantes mais utilizada na indústria cerâmica (8). Sua obtenção se dá por polimerização de ácidos acrílicos via radicais livres, apresentando estrutura de cadeia alquílica com grupos polares -COOH. Além disso, o PAA é capaz de formar ligações com alguns grupos químicos, especialmente nos grupos carboxílicos, os quais podem reagir com cátions metálicos polivalentes para formar ligações cruzadas, bem como, sua cadeia alquila pode melhorar a miscibilidade em matrizes poliméricas. O PAA é um polieletrólito fraco, no qual o grau de ionização é controlado pela força iônica do meio e pelo ph. Em ph abaixo de 4,0 é virtualmente não dissociado, já em ph acima de 8,0 as cadeias poliméricas encontram-se com cargas elétricas em virtude da presença do grupo carboxila ao longo das cadeias (8). Nesse contexto, visando a busca por materiais e procedimentos capazes de acelerar o processo de regeneração óssea com o mínimo de efeitos indesejáveis, o presente trabalho tem como objetivo a obtenção de matrizes híbridas tridimensionais buscando promover bioatividade com o vidro bioativo, reforçadas com polímero poli

3 (ácido acrílico), bem como a caracterização das suas propriedades como morfologia, cristalinidade e composição química. MATERIAS E MÉTODOS O procedimento experimental adotado no preparo dos híbridos VB/PAA descreve as etapas conforme o fluxograma apresentado na figura 1. Figura 1 Fluxograma do procedimento para obtenção das várias composições de híbridos VB/PAA. Diluição de suspensão de PAA - Foi selecionado o poli(ácido acrílico) da marca Sigma Aldrich, com massa molar igual a g.mol -1 em suspensão 35% (p/v). As suspensões, conforme fornecidas pelo fabricante, foram diluídas para fração de 10% (p/v) através da adição de água DI à temperatura ambiente, sob agitação constante, por 2 horas. O ph das soluções foi ajustado para 2,0 com a utilização de NaOH. Preparo das soluções de vidro bioativo (VB) - Foram preparadas quatro soluções diferentes dos silicatos, conforme as razões molares descritas na tabela 1. As soluções foram sintetizadas por meio da mistura de tetraetilortosilicato (TEOS) em solução 2M de ácido clorídrico, seguido pela adição de trietilfosfato (TEP). Tabela 1: Concentrações dos Reagentes nas Soluções dos Silicatos Identificação das Soluções de Silicato Razão Molar H 2 O TEOS TEP CaCl 2 HF TEOS-TEP 12, , TEOS-TEP-CaCl 2 12,0000 1,0000 0, ,

4 TEOS-TEP-CaCl 2 -HF 12, , , ,21537 TEOS-TEP-HF 12, , ,21537 Em algumas soluções, onde indicado na tabela, foi utilizado CaCl 2 monohidratado e/ou solução de HF. A razão molar de H 2 O/TEOS utilizada foi 12:1. Preparo dos híbridos VB-PAA - Os híbridos foram obtidos usando procedimento onde cada solução de silicato descrita na tabela 1, em quantidade apropriada foi adicionada a suspensão de PAA. A composição dos híbridos preparados foi de 75% em peso de vidro bioativo para 25% por peso de polímero. Em duas das misturas resultantes foi adicionada solução 10% (v/v) de ácido fluorídrico, conforme indicado na tabela 1. O ácido fluorídrico foi utilizado para catalisar a geleificação. As misturas foram vertidas em recipientes plásticos e em seguida os recipientes foram vedados para inicio do processo de envelhecimento, permanecendo três dias à temperatura de ambiente, quando foram abertos e mantidos na mesma temperatura por mais sete dias para permitir sua secagem. Morfologia dos híbridos VB-PAA - Para avaliação da morfologia e estrutura superficial dos híbridos, foram realizados ensaios através de microscopia eletrônica de varredura (MEV), equipamento Shymadzu SSX-550 acoplado ao espectrômetro de energia de elétrons (EDX), utilizado para análise da composição da superfície das amostras. Para a realização do MEV, as amostras foram recobertas com ouro para tornar suas superfícies condutoras para o feixe de elétrons. Ensaio de difração de raios X - Foram realizados usando radiação CuKa (l=1,54056å), operando com 40kV, 30mA e 2θ variando de 3,00 a 90,00 o com passo igual a 0,06 o por meio do Difratômetro Shimadzu XRD Ensaio FTIR - Foi adotada técnica de reflexão transmitida atenuada. Os testes foram realizados em espectrofotômetro Shimadzu Corporation, modelo IRPrestige- 21 equipado com transformada de Fourier, FTIR-8400S e acessório ATR, repetindo 32 vezes na faixa de número de onda entre cm -1, com resolução de 4cm -1 em intervalos de 2cm -1. RESULTADOS E DISCUSSÃO A figura 2 mostra imagens fotográficas dos híbridos preparados com suspensão de PAA seguidos da adição das soluções de silicato indicadas na tabela 1. A amostra da figura 2a refere-se ao híbrido TEOS-TEP/PAA obtido após processo

5 de secagem e apresenta aspecto branco, opaco, com presença de fraturas em sua estrutura, que podem ser atribuídas ao estresse de contração superficial durante a desidratação, dado que as amostras apresentam elevada concentração de água proveniente das soluções precursoras. As amostras TEOS-TEP-CaCl 2 /PAA (figura 2b) apresentaram aspecto similar aos das amostras TEOS-TEP/PAA, sendo que nas amostras preparadas com adição de CaCl 2, foi observada menor contração na secagem, resultando em fragmentos ocupando maior área da base do recipiente, que as preparadas sem CaCl 2. A figura 2c refere-se às amostras TEOS-TEP-HF/PAA, preparadas similarmente àquela indicada na figura 2a, mas que receberam adição HF como catalisador de geleificação. A imagem da figura 2c mostra presença de fragmentos menores que os observados nas formulações sem cálcio e sem HF. Esse resultado sugere que a adição do catalisador promoveu diminuição do tempo de geleificação, resultando em estrutura mais susceptível ao estresse de secagem, levando à maior fragmentação. Figura 2 Imagem de amostras de híbridos preparados com suspensão de poli(ácido acrílico) misturadas com solução de: (a) - (TEOS-TEP); (b) - (TEOS-TEP CaCl 2 ); (c) - (TEOS-TEP-HF) e (d) - (TEOS-TEP CaCl 2 -HF) A figura 2d refere-se à amostra TEOS-TEP-CaCl 2 -HF/PAA preparada similarmente à amostra indicada na figura 3b, mas que receberam a adição de HF. A imagem da figura 3d mostra que a adição cálcio, seguido pela mistura com o PAA resultou em estrutura com menor quantidade de trincas, capaz de suportar melhor o processo de secagem. Imagem de MEV do híbrido TEOS-TEP/PAA mostrada na figura 3a descreve padrão de textura irregular, que no aumento de 1000 vezes, apresentado na figura 3b, evidencia duas regiões. Uma região que corresponde à maior parcela

6 apresentada no campo, caracterizada por particulado fino distribuído em aspecto colunar. O segundo padrão, representado pela seta, mostra regiões com maciços de dimensões maiores, contorno mais plano e liso, destacado em relação ao particulado do restante do campo. O aspecto apresentado na figura 3c evidencia superfície bastante irregular com presença de poros abertos, sendo os aglomerados esféricos na ordem de 2 m circundando pelos poros. Na figura 3d é mostrado EDS realizado na região indicada em 3c, com detecção dos picos referentes aos elementos silício e fósforo, além de carbono e oxigênio. Na análise de EDS da região destacada pela seta, gráfico não mostrado, foram identificados picos muito evidentes de carbono e oxigênio, sugerindo se tratar da fase polimérica. A D B C Figura 3 Imagem de MEV de híbridos TEOS-TEP/PAA nas ampliações (a) 100x; (b) detalhe destacado em a 1000x; (c) detalhe de b 4000x; (d) espectro EDS da região c e seta indicando fase polímerica. Na figura 4 são mostradas imagens de MEV do híbrido TEOS-TEP-CaCl 2 /PAA. Nas figuras 4a e 4b nota-se padrão com partículas menos dispersas e aglomerados de esferas menos definidas que na amostra sem CaCl 2, estes circundando algumas

7 trincas. Nota-se também placas lisas cobrindo parcialmente a superfície das esferas, sugerindo separação de fases (detalhe destacado com a seta). O cálcio pode ter competido com o Si para se ligar no PAA, assim a presença de cálcio foi capaz de estabilizar as cargas e enovelar parte do PAA. A alteração do ph pode ter levado à geleificação mais rápida do vidro que na amostra sem cálcio, travando as moléculas e formando poros internos. No espectro de EDS do mesmo híbrido (não mostrado), foram detectados picos referentes aos elementos silício, fósforo, carbono e oxigênio, além de pico de cloro. A B Figura 4 - Imagem de MEV de híbrido TEOS-TEP-CaCl 2 / PAA nas ampliações (a) 100x; (b) detalhe de a 1000x; (tracejado) região em b onde EDS foi realizado. A figura 5 apresenta imagens de híbridos TEOS-TEP-HF/PAA. A figura 5a mostra imagens de MEV, nas quais se observa superfície com partículas na forma esférica, que variam no tamanho entre aproximadamente 1,0 e 3,5 μm. A B Figura 5 Imagem de MEV de híbridos TEOS-TEP-HF / PAA nas ampliações (a) 100x e (b) detalhe destacado em a 4000x; (tracejado) região em b onde EDS foi realizado e (seta) indicando excesso de material irregular na superfície.

8 O HF promove reação de geleificação mais rápida e com isso estrutura mais susceptível ao estresse de contração durante a secagem, gerando trincas e rompendo a matriz do material. A reação mais vigorosa também promove estrutura superficial com elevada rugosidade, demonstrada pelo excesso de material irregular na superfície destacada pela seta, com dimensão inferior ao observado na figura 3, que foi preparada sem adição de HF. Isso pode ser explicado, pois a secagem do material expôs os vazios da porosidade do vidro. No espectro EDS foram detectados picos referentes aos elementos silício e fósforo, carbono e oxigênio, além de pico residual de flúor proveniente do HF utilizado como agente catalisador da reação. As figuras 6a, 6b e 6c mostram a sequência de imagens de MEV obtidas a partir de amostras de híbridos TEOS-TEP-CaCl 2 -HF/PAA. A B D C Figura 6 Imagem de MEV de híbridos TEOS-TEP-CaCl 2 -HF/PAA (a) 100x; (b) detalhe destacado em a 1000x; (c) detalhe de b 4000x; (d) espectros EDS da região da seta. Na figura 6a observa-se superfície com presença de grande número de pequenos poros, não observados nas amostras anteriores. Na figura 6b a ampliação mostra partículas esféricas em aglomerados menores, mas em aspecto colunas e presença de grande número de poros abertos. Na figura 6c são observadas algumas

9 Absorbância (a.u.) partículas de forma esférica na ordem de aproximadamente 4,5 μm além de regiões densas, planas, mais alongadas, cobrindo o material parcialmente. Na figura 6d é mostrado EDS realizado na região das partículas esféricas mostrada em 6c, com detecção dos picos referentes aos elementos oxigênio, silício, cloro e cálcio. Na espectroscopia por EDS correlacionada à região plana indicada pela seta, gráfico não mostrado, foi detectado pico evidente de carbono e pico associado ao oxigênio de maior intensidade que o mostrado na região das esferas. Além disso, nota-se um pico de baixa intensidade para o elemento fósforo. A figura 7 refere-se aos espectros de infravermelho de híbridos VB/PAA, nas formulações estudadas. Os espectros 7a e 7b referem-se, respectivamente, às formulações preparadas com TEOS-TEP/PAA e TEOS-TEP-HF/PAA, e foram bastante semelhantes entre si, com presença de picos de absorção compatíveis com a sílica, indicados pelo estiramento Si-OH em 951cm -1, e pelos estiramentos assimétrico, simétrico e dobramento do grupo Si-O-Si em 1073, 793 e 451cm -1, respectivamente. Além disso, foi observado pico em 1700cm -1, que pode ser associado com o grupo carbonila ligado ao silanol, conforme Chang et. al. (10). (d) (-OH) ( COO - ) 1560 (C=O ligada à Carboxila) 1640 (CH) (OH) (Si-OH) (Si-O-Si) BTEOSTEP F E J (c) (C=O ligada ao Silanol) 1700 (Si-O-Si) 1073 e 793 (b) 0 (a) Número de Onda (cm -1 ) Figura 7 - Espectros de infravermelho de híbridos (a) TEOS-TEP/PAA; (b) TEOS- TEP-HF/PAA (c) TEOS-TEP-CaCl 2 /PAA e (d) TEOS-TEP-CaCl 2 -HF/PAA Os espectros de FTIR apresentados em 7c e 7d, referem-se às formulações preparadas com adição de cloreto de cálcio nos vidros, representadas pelas amostras de TEOS-TEP-CaCl 2 /PAA e TEOS-TEP-CaCl 2 -HF/PAA. Os resultados mostram o aparecimento da banda de alta intensidade na região entre 3400-

10 3200cm -1, que pode ser associado com o grupo OH do silanol, além dos picos associados aos grupos SI-OH e Si-O-Si já apresentados nas amostras sem cálcio. Outra diferença observada nos espectros é representada pela diminuição do pico em 1700cm -1 e o aparecimento do pico em 1640cm -1, que pode ser associados ao grupo C=O ligado à carboxila e ao pico em 1560cm -1 associado como o grupo COO -. Esse resultados sugerem que o PAA contém grupos carboxila, que devem resultar na formação de ligações de hidrogênio no bulk do polímero, além disso, as ligações de hidrogênio entre os grupos carboxila e carbonila no PAA podem ter ficado escondidas pela estrutura de sílica, sugerindo melhora na miscibilidade do vidro com a fase polimérica. O difratograma apresentado na figura 8a, referente a amostra de híbrido TEOS- TEP/PAA, sugere se tratar de material semicristalino, com evidência de ampla região amorfa variando entre 10 e 70º e região cristalina destacada por pico alargado, com maior intensidade para o ângulo de valor igual a 22,9. A B C D Figura 8- Difratograma de amostra de 75/25 p/p (a) TEOS-TEP /PAA; (b) TEOS- TEP-CaCl 2 /PAA; (c) TEOS-TEP-HF /PAA; (d) TEOS-TEP- CaCl 2 -HF /PAA Quando comparado com difratogramas de amostras de vidro puro e do polímero PAA puro, percebemos que os híbridos mantiveram a região cristalina em 22,9, entretanto a adição da solução com os alcóxidos, promoveu estreitamento do pico de cristalinidade do polímero e desaparecimento do pico centrado em 38,1, sugerindo que a adição do alcóxidos resultou em estrutura mais cristalina que aquela apresentada pelo vidro puro, entretanto a estrutura se mostrou mais amorfa, se comparada com filmes de PAA. O mesmo material com adição de HF, indicado na figura 8c, não se notam diferenças significativas no gráfico, sugerindo que o HF não teve grande influência na organização cristalina do material.

11 Os gráficos representados nas figuras 8b e 8d mostram difratogramas dos híbrido TEOS-TEP-CaCl 2 /PAA com e sem adição flúor, que apresentaram resultado bastante semelhante. Observa-se pico de intensidade em 24,1º e outro com discreta faixa em 43,8 que evidenciam parte semi-cristalina e ampla faixa abaixo dos picos, variando de aproximadamente 10º a 70º, onde predomina a forma amorfa do material. Nota-se pelas intensidades dos difratogramas, que se trata de material mais amorfo do que os materiais sem a adição de CaCl 2, além da presença do pico na região de 43,8. CONCLUSÕES Os resultados sugerem que a homogeneização das misturas de vidro bioativo com o PAA depende dos reagentes utilizados. Os elementos cálcio e flúor têm papel importante na manutenção da estrutura dos híbridos durante a síntese e secagem. Os materiais obtidos podem representar uma mistura do polímero com o vidro bioativo interessante, com destaque para as amostras TEOS/TEP/CaCl 2 -HF/PAA, que apresentaram resultados promissores. Além disso, foi verificada a necessidade da utilização de formulações específicas, bem como modulação do ph, para permitir controle de cristalinidade e do arranjo das cadeias poliméricas na obtenção de estrutura que desempenhe papel apropriado no tratamento de defeitos ósseos. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FAPEMIG/CAPES/CNPq pelo apoio financeiro e ao Laboratório de Biomateriais do CEFET-MG, por permitir a realização deste trabalho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. CANCEDDA, R.; GIANNONI, P.; MASTROGIACOMO, M. A tissue engineering approach to bone repair in large animal models and in clinical practice. Biomaterials, v.28, n.1, p , REICHERT, J.C., et al. The challenge of establishing preclinical models for segmental bone defect research. Biomaterials, v.30, p , HENCH, L.L. Sol-gel materials for bioceramic applications. Current Opinion in Solid State & Materials Science, v.2, p , GUPTA, R.; KUMAR, A. Bioactive materials for biomedical applications using solgel technology. Biomedical Materials, v.3, n.3, YANG, G. X.; YANG, L.; ZHANG, M.; LIN, X.; SUN, X.; CHEN, Z.; GOU. Mater Lett, v.75, p , NEMEC, W.J.; BAUER, J. Encyclopedia of polymer science and enginnering. Wiley interscience, New York, p.211, 1985.

12 7. KACZMAREK, H.; SZALLA, A. Photochemical transformation in poly(acrylic acid)/poly (ethylene oxide) complexes. Journal of photochemistry and photobiology A. chemistry, v.180, p.46-53, YANG, Z. The effect of molecular architecture of polymeric dispersants on the stabilization and rheology of dispersion Dissertação de PHD Michigal Technological University, Houghton. 9. XIE, Z.; LU, C.; CHEN, X.; CHEN, L.; HU, X.; SHI, Q.; JING, X. A facile approach to biodegradable poly(e-caprolactone)-poly(ethylene glycol)-based polyurethanes containing pendant amino groups. European Polymer J. v, 43, p , CHANG, C. K.; CHU, I. M., Effect of hydrogen bonding on the glass transition behavior of poly(acrylic acid)/sílica hybrids materials prepared by sol-gel process. Polymer, v.42, p , 2001

13 Synthesis and Characterization of Bioactive Glass Reinforced with Polymer Poly (acrylic acid) (PAA) Three-dimensional Hybrid Matrix Abstract: Actually there are a large demand for use of grafts and prostheses in the treatment of bone defects. Bioactive glasses (BG) represent promising biodegradable materials due to your biological properties. However, these materials exhibit low mechanical strength when compared with the forces present in the bone tissue. As alternative to improve mechanical properties of these ceramics materials we can combine it with synthetic polymers. Poly (acrylic acid) (PAA) is one of synthetic polymer established in skeletal surgery, currently used as bone cement. This study aims to develop biocompatible hydrogel based in BG/PAA with adequate mechanical strength and controlled ratio of degradation. Therefore, were synthesized composites by the sol-gel method prepared with several combinations of the reagents TEOS,TEP and CaCl2 mixed with PAA suspensions. Morphological analysis showed agglomerates with spherical particles and presence of porosities in the material. XRD analysis suggests semicrystalline structure after PAA-glass association. The results indicate the necessity of specific formulations and polymer arrangement phmodulated for controlling and obtaining appropriate structure in treating bone defects. Keywords: bone graft, porous matrix, bioactive glass, PAA