Caracterização de Compósitos Biovidro-Polihidroxibutirato Quanto a Morfologia e Microdureza

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1 ISSN Revista Matéria, v. 10, n. 1, pp , Março de Caracterização de Compósitos Biovidro-Polihidroxibutirato Quanto a Morfologia e Microdureza RESUMO Mauro Del Guerra Neto, André O. Paiva, Necesio Gomes Costa Universidade Federal de Itajubá UNIFEI CEP (35) Itajubá - MG mauroneto@uol.com.br, aopaiva@uol.com.br, costang@unifei.edu.br O polihidroxibutirato (PHB) é um polímero sintetizado por microrganismos sob deficiência de nitrogênio, e a sua principal característica é a biodegradabilidade. Alguns vidros de sistemas especiais têm a capacidade de formar uma camada rica em Ca e P em suas superfícies quando imersos em solução que simula o plasma sanguíneo (SBF). Estes vidros são conhecidos como vidros bioativos ou ainda biovidros. Compósitos que apresentam propriedades que auxiliam na reparação óssea enquanto mantém a função do osso foram obtidos. Compósitos Biovidro/PHB nas concentrações de 30Bio/70PHB e 40Bio/60PHB foram produzidos por compressão à quente. A camada de fosfato de cálcio obtida foi caracterizada via Microscopia Eletrônica de Varredura acoplada a Espectroscopia de Energia Dispersiva (MEV-EDS). A razão Ca/P encontrada foi de 1,67, relação característica da hidroxiapatita. Avaliou-se também a microdureza Vickers do material, na qual se encontrou os valores de 24,6 ± 3,0 e 23,6 ± 2,5 VHN para 40Bio/60PHB e 30Bio/70PHB, respectivamente. Estes resultados são similares aos encontrados para compósitos de cerâmicas/matriz de PHB. Palavras chaves: Biovidro, polihidroxibutirato, bioatividade, microdureza. Polyhydroxybutyrate-Bioglass Composite Characterization regarding Morphology and Microhardness ABSTRACT Polyhydroxybutyrate (PHB) is a polymer synthesized by microorganisms under nitrogen deficiency, this main characteristics is the biodegradability. Some glasses of especial systems, has the capacity to form a rich layer of Ca and P in their surfaces when immersed in a solution that simulated body fluid (SBF). These glasses are known by bioactive glasses or bioglasses. These composites help the bone repair while keep the function. Composites Bioglass/PHB in concentration of 30Bio/70PHB and 40Bio/60PHB were produced by hot compression. Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive Spectroscopy (SEM-EDS) were carried out on calcium phosphate layer obtained. The Ca/P ratio was 1,67, this relation is characteristic of hydroxyapatite phase. The composite microhardness Vickers was evaluated. The results of microhardness were 24,6 ± 3,0 and 23,6 ± 2,5 VHN for 40Bio/60PHB and 30Bio/70PHB, respectively. These results agree with the one found for other similar composites such as ceramics/matrix of PHB. Keywords: Bioglass, polyhydroxybutyrate, bioactivity, microhardness. 1 INTRODUÇÃO O primeiro relato de um implante não orgânico enxertado em osso humano (endosteal aloplástico) data de 600 d.c. Este implante era de uma mandíbula encontrada em 1931 em Honduras; na qual havia três fragmentos de concha do mar no lugar dos incisivos inferiores. Após investigações radiográficas concluiu-se que os fragmentos de concha haviam sido implantados em paciente vivo [1]. Hench e Wilson, 1993 [2], afirmam que nos últimos 40 anos novos materiais aloplásticos têm sido desenvolvidos destinados à implantação. Estes têm a finalidade de reconstruir partes, preencher cavidades ou substituir elementos perdidos por doenças ou traumas. Dentre estes materiais se encontram os vidros bioativos. Os vidros bioativos têm a capacidade de formar uma camada rica em Ca e P na superfície quando Autor Responsável: Mauro Del Guerra Neto

2 mergulhados em uma solução acelular que simula o plasma sanguíneo. Esta propriedade leva à adesão do implante ao osso e posteriormente auxilia a reparação de tecidos lesados. Por estas razões muitas vezes também denominamos estes vidros bioativos de biovidros. Os primeiros biovidros foram desenvolvidos por L. L. Hench em 1969, sendo chamados de Bioglass, desde então diversas pesquisas têm sido realizadas no intuito de melhorar as propriedades destes materiais [3, 4, 5]. A adesão dos biovidros ao osso foi demonstrada por Kokubo, 1998 [6]. Neste trabalho o autor concluiu que o Bioglass apresentou a bioatividade superior quando comparados com outros implantes, tais como polímeros e metais. Devido a esta propriedade superior o biovidro tem sido utilizado em diversos tipos de tratamentos médico-odontológicos. Camargo et al, 2000 [7], demonstraram que o biovidro pode ser utilizado em cirurgia oral como preenchimento do alvéolo dentário após extrações, acelerando o processo de cura com o mínimo de perda de estrutura adjacente. Kinnunen et al, 2000 [8], em seu relato clínico mostraram o uso do biovidro em cirurgia e traumatologia maxilo-facial aplicando-o como suporte no caso de fraturas cominutivas, como por exemplo, reconstrução de assoalho de órbita. O biovidro pode ser usado em periodontia para reconstrução de defeito ósseo vertical perdido com a doença periodontal. Pode ser utilizado em associação com osso autógeno para levantamento de seio maxilar ou como preenchimento de cavidades ocasionadas por lesões como cistos e tumores. Ou ainda como recobrimento de implantes para aumentar a adesividade deste ao osso. Os biovidros desenvolvidos apresentam limitações inerentes aos próprios vidros, como é o caso das propriedades mecânicas. Os vidros, assim como outras cerâmicas apresentam bom comportamento quanto à compressão, porém o comportamento sob tração é insatisfatório. Para solucionar problemas como estes Bonfield, 1981 [9], introduziu os compósitos cerâmicas/polímeros. Neste mesmo estudo o autor estudou o comportamento de compósitos (hidroxiapatita/polietileno ou HA/PE). Vários outros compósitos cerâmicas/polímeros têm sido pesquisados, tais como poli(ε-caprolactona-co-dl-ácido lático)/biovidro, HA/PHB, tricálcio fosfato/phb, biovidro/poly (aryl) sufone [10, 11, 12, 13]. Em todos estes compósitos as propriedades mecânicas dos polímeros é melhorada utilizando as cerâmicas como reforço, além da propriedade de bioatividade das mesmas. Atualmente tem-se procurado desenvolver compósitos utilizando polímeros biodegradáveis. Para que os polímeros sejam utilizados como enxertos biodegradáveis alguns requisitos devem ser obedecidos. Dentre estes se destacam a biocompatibilidade, a facilidade de controle da degradação, a não toxicidade dos produtos da degradação e a facilidade de excreção destes produtos [14]. O poli(3-hidroxibutirato) (PHB) é um polímero que possui propriedades de biodegradabilidade e biocompatibilidade e que atendem a estes requisitos. O PHB é um poliéster que ocorre naturalmente e é sintetizado por diversas espécies de bactérias sob deficiência de nutrientes [11, 12]. O PHB foi usado no trabalho de Wang et al, 2000 [14], como reforço de hidroxiapatita e por Chen e Wang, 2002 [11], como reforço de fosfato tricálcico além da hidroxiapatita. Os resultados encontrados indicam que há um aumento dos valores de microdureza e conseqüentemente do módulo de Young. Nestes trabalhos foi também observado um aumento da bioatividade do compósito induzindo a formação de apatita ligante. No presente trabalho analisou-se a bioatividade de compósitos Biovidro/PHB através de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) acoplada a Espectrostopia de Energia Dispersiva (EDS), após imersão em SBF. Avaliou-se também a propriedade mecânica de microdureza das amostras. 2 MATERIAIS E MÉTODOS O vidro bioativo VH30 do sistema SiO 2 3CaO.P 2 O 5 MgO foi obtido misturando os reagentes SiO 2, MgO, CaCO 3 e Ca(H 2 PO 4 ) 2 com álcool etílico a 96% manualmente e depois levou-se a mistura para um moinho de bolas da marca Fritsh Pulverisette por 45 minutos com a finalidade de homogeneizar as misturas. Após homogeneização as amostras foram colocadas em uma estufa da marca Memmert a 60º por 24 horas para secagem e eliminação do álcool. Posteriormente, o material retirado da estufa foi macerado de maneira desagregá-lo. Amostras da mistura, pesando 80 g, foram acondicionadas em um cadinho de platina e levadas a um forno cilíndrico da marca Thermolab para fusão à temperatura de 1500 ºC e mantidas por 1 h. Após este período o líquido foi vazado rapidamente em um recipiente com água para resfriamento imediato. O vidro obtido foi colocado em estufa da marca Memmert para secagem por 24 horas. Depois deste período, as amostras foram moídas em moinho de ágata da marca Retsh, modelo MR100 por uma hora. Após a moagem, as amostras foram peneiradas manualmente em uma malha de 30 μm e colocado em um recipiente para armazenamento. O poli(3-hidroxibutirato) utilizado foi sintetizado através de bactérias Burkholderia sacchari e doado pelo Departamento de Engenharia Química da Universidade de Coimbra. O polímero foi caracterizado termicamente por Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), através de equipamento da marca DSC-200 Netzsch Geratebaü, em atmosfera de nitrogênio em um intervalo de 0 a 260 C a uma taxa de aquecimento de 32

3 20 C/min. O DSC foi utilizado para conhecer o ponto de fusão do polímero para se proceder a produção do compósito através de compressão a quente. Trinta amostras de 1 g de compósitos Biovidro/PHB foram preparadas nas relações: 40/60 e 30/70. Esta preparação consistiu de misturar acetona e biovidro e sob agitação adicionar o PHB nas relações desejadas. As amostras eram então homogeneizadas, secas em estufa a 60 C, vazadas em um molde cilíndrico de 1 cm de diâmetro e levadas a prensa à quente (Carvers Laboratory Press C). A prensagem foi realizada a 150 C a uma carga de 3 ton por 30 min. Após resfriamento estas foram lixadas e polidas com lixas de números 120, 500, 800 e Em seguida procedeu-se a limpeza das amostras mergulhando-as em água destilada e levando-as para ultrasom por 20 minutos. A secagem foi realizada com papel absorvente. O SBF foi preparado em um béquer, misturando os NaCl, NaHCO 3, KCl, K 2 HPO 4.3H 2 O, MgCl 2.6H 2 O, HCl, CaCl 2.6H 2 O, Na 2 SO 4, NH 2 C(CH 2 OH) 3 = C 4 H 11 NO 3 com 500 ml de água ultrapura em agitação. A ordem de adição dos reagentes é conforme está na frase anterior. O ph da solução foi corrigido para 7,25 usando HCl 1N. O conteúdo foi passado a um balão volumétrico onde se completou com água ultrapura a quantidade de 1 L. As concentrações iônicas do SBF podem ser comparadas com a do plasma humano, Tabela 1. Tabela 1: Concentrações de íons (mm) no plasma e no SBF [15] Na + K + Ca 2+ Mg 2+ Cl HCO 3 HPO 4 Plasma 142,0 5,0 2,5 1,5 103,0 27,0 1,0 0,5 SBF 142,0 5,0 2,5 1,5 148,8 4,2 1,0 0,5 As pastilhas de compósito Biovidro/PHB foram imersas em SBF nos tempos de 2 e 7 horas e 1, 3, 7 e 14 dias. A formação de uma camada rica em fosfato de cálcio foi estudada utilizando o Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) da marca Hitachi S4100 acoplado ao EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) da marca Rontec. O ensaio de microdureza de Vickers foi realizado em microdurômetro, da marca Shimadzu modelo HMV2, utilizando carga de 300 g por 30 segundos. Foram tomadas 20 medidas para cada um dos compósitos Biovidro/PHB. SO RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados de MEV da amostras Biovidro/PHB imersas em SBF estão apresentados nas Figuras 1-a a 1-d. Após 7 dias de imersão do compósito em SBF pode-se observar a morfologia globular da camada de fosfato de cálcio depositada sobre o compósito 30Bio/70PHB, Figura 1-a. Esta morfologia é semelhante ao encontrado por Jaakkola et al, 2003 [10], após 7 dias em SBF, porém em compósitos poli(ε-caprolactonaco-dl-ácido lático)/bioglass. Chen e Wang, 2002 [11] também observaram morfologia similar para compósitos HA/PHB, porém somente após 28 dias em SBF. A micrografia apresentada na Figura 1-b é do compósito 40Bio/60PHB com 7 dias de imersão em SBF e se assemelha ao apresentado no trabalho de Ni e Wang, 2002 [12] para compósitos HA/PHB após 7 dias. Na Figura 1-a observa-se uma camada de fosfato de cálcio mais uniforme e contínua do que a observada na Figura 1-b, este fato indica maior bioatividade do compósito 30Bio/70PHB em relação ao compósito 40Bio/60PHB. A morfologia globular se manteve para as amostras 30Bio/70PHB e 40Bio/60PHB após imersão em SBF durante 14 dias, como pode ser observada nas Figuras 1-c e 1-d. Em compósitos porosos PDLLA/Bioglass, Roether et al, 2002 [16], encontraram morfologia similar para suas amostras. A morfologia encontrada por estes autores foi observada após 28 dias, no entanto já se nota algum crescimento de HA na superfície do material a partir de 7 dias. As Figuras 1-c e 1-d mostram as micrografias das camadas de fosfato de cálcio mais uniformes nos tempos de 14 dias do que nos tempos de 7 dias de imersão em SBF. Uma formação contínua da camada de fosfato de cálcio pode ser observada após 14 dias (seta), pois há uma segunda camada formada sobre a primeira. Estas camadas se mostraram mais unidas e coesas podendo assim melhorar a adesão do material ao osso. Essa camada rica em Ca e P não se apresenta cristalina nos tempos iniciais. Após imersão em SBF por 21 dias a camada apresenta uma maior cristalinidade. 33

4 Figura 1: Micrografia de MEV do compósitos 30Bio/70PHB após 7 dias em SBF (a), 40Bio/60PHB após 7 dias em SBF (b), 30Bio/70PHB após 14 dias em SBF (c), 40Bio/60PHB após 14 dias em SBF (d). Os resultados de EDS indicam a formação de uma camada rica em Ca e P. A Figura 2 apresenta o espectro de EDS do compósito 30Bio/70PHB após imersão em SBF por 7 dias. Os picos mais intensos correspondem a presença de Ca e P. A razão Ca/P está próxima de 1,67 que é a razão Ca/P presente na hidroxiapatita do osso humano de acordo com LeGeros e LeGeros, 1993 [17]. A razão Ca/P 1,67 se manteve uniforme para todos os tempos estudados após 3 dias no compósito 30Bio/70PHB. O 40Bio/60PHB não apresentou uma razão Ca/P próxima de 1,65 e esta variou para todos os tempos. Figura 2: Espectro de EDS para o compósito 30Bio/70PHB 34

5 Os resultados da microdureza de Vickers dos compósitos estão apresentados na Tabela 2. Estes resultados são superiores aos encontrados por Chen e Wang, 2001 [11], para o compósito TCP/PHB e HA/PHB, porém são semelhantes aos encontrados por Wang et al, 2000 [14], para os compósitos HA/PHB. A microdureza pode ser utilizada como indicador do Módulo de Young dos compósitos bioativos, pois quanto maior a quantidade de cerâmica maior a rigidez o material. No trabalho de Doyle et al, 1991, [18] os autores afirmam que há uma relação direta entre o aumento da porcentagem de volume de HA e o aumento dos valores do Módulo de Young em compósitos HA/PHB. Os autores encontraram uma relação inversa da porcentagem em volume de HA e falha sob tensão, ou seja, quanto maior a quantidade de HA no compósito menor a e também é menor a falha sob tensão. Tabela 2: Microdureza de Vickers Compósito Microdureza (VHN) 40Bio/60PHB 24,6 ± 3,0 30Bio/70PHB 23,6 ± 2,5 4 CONCLUSÃO Os compósitos apresentaram bioatividade in vitro, podendo ser observada uma camada rica em Ca e P em ambos os compósitos. O compósito 30Bio/70PHB apresentou uma formação mais rápida da camada de Ca e P. A camada do compósito 30Bio/70PHB pode ser considerada hidroxiapatita devido a razão Ca/P próxima a 1,67, ao contrário da camada do compósito 40Bio/60PHB. Os ensaios de microdureza de Vickers apresentaram compósitos com valores satisfatórios para o uso como enxerto em áreas de tensão mediana. 5 AGRADECIMENTOS Agradecimento aos colegas e aos funcionários do Departamento de Engenharia Cerâmica e do Vidro da Universidade de Aveiro. A CAPES e CNPq pelo apoio financeiro. 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] RING M.E., História da Odontologia. 1ª ed. São Paulo:Editora Manole, [2] HENCH L.L., WILSON J., An Introduction to Biocerâmicas. 1ª ed. Cingapura: World Scietific Publishing, [3] ŁĄCZKA M., CHOLEWA K., ŁĄCZKA-OSYCZKA A., Gel-derived Powders of CaO-P 2 O 5 -SiO 2 System as a Starting Material to Production of Bioactive Ceramics, Journal of Alloys and Compounds, v. 248, pp , [4] MARGHUSSIAN V.K., MESGAR A.S.M., Effects of Composition on Crystallization Behavior and Mechanical Properties of Bioactive Glass-Ceramics in the MgO-CaO-SiO-P2O5 System, Ceramics International, v. 26, pp , [5] SCHROOTEN J., ROEBBEN G., HELSEN J.A., Young s Modulus of Bioactive Glass Coated Oral Implants: Porosity Corrected Bulk Modulus Versus Resonance Frequency Analysis, Scripta Materialia, v. 41 n. 10, pp , [6] KOKUBO, T., Apatite Formation on Surfaces of Ceramics, Metals and Polymers in Body Environment, Acta Materialia, v. 46, No. I, pp , [7] CAMARGO, P.M., LEKOVIC, V., WEINLAENDER, M., KLOKKEVOLD, P.R., KENNEY, E.B., DIMITRIJEVIC, B., NEDIC, M., JANCOVIC, S., ORSINI, M., Influence of Bioactive Glass on Changes in Alveolar Process Dimensions After Exodontias, Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod, v. 90, pp ,

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