COMPORTAMENTO FÍSICO QUÍMICO INICIAL DE HÍBRIDOS POLI(ÁLCOOL VINÍLICO)/VIDRO BIOATIVO EM MEIO AQUOSO E EM FLÚIDO DE SIMULAÇÃO CORPÓREA

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1 COMPORTAMENTO FÍSICO QUÍMICO INICIAL DE HÍBRIDOS POLI(ÁLCOOL VINÍLICO)/VIDRO BIOATIVO EM MEIO AQUOSO E EM FLÚIDO DE SIMULAÇÃO CORPÓREA Hermes S. Costa 1, Marivalda M. Pereira 2, Rodrigo L. Oréfice 2, Herman S. Mansur 2 * 1 Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais CEFET-MG, Depto. de Engenharia de Materiais; 2 Universidade Federal de Minas Gerais UFMG, Depto. de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Rua Espírito Santo 35 - sala26, Belo Horizonte/MG hmansur@demet.ufmg.br Compósitos porosos contendo uma fase bioativa e uma fase polimérica reabsorvível são promissores na engenharia de tecido, sendo interessante uma reabsorção na mesma taxa que o tecido é reparado. Nesse trabalho foram preparados, através do processo sol-gel, híbridos com 7% (p/p) de poli (álcool vinílico) e 3% (p/p) de vidro bioativo, de composição igual a 58% (p/p) de SiO 2, 33% (p/p) de CaO e 9% (p/p) de P 2 O 5. Os híbridos foram reticulados com glutaraldeído (GA) e neutralizadas com solução básica. As amostras foram imersas em soluções de fluido de simulação corpórea (SBF) e em água deionizada na temperatura de 37 o C, por períodos de até 21 dias. A caracterização foi conduzida por MEV, intumescimento, perda de massa e deposição superficial. Os resultados iniciais indicam para amostras com 5% de GA, perda de massa gradual com a fração de reticulante utilizada e presença de camada superficial de fosfato de cálcio depositada nas amostras neutralizadas e imersas em SBF. Palavras-chave: poli(álcool vinílico), ligações cruzadas, vidro bioativo, matrizes, degradação. Initial physical-chemical behavior of poly(vinyl alcohol)/bioactive glass in aqueous media and simulated body fluid Composite materials of biodegradable polymers with inorganic bioactive glasses are of particular interest to engineered scaffolds, where is possible to control scaffold degradation to match the ratio of replacement by bone tissue. In this study hybrids scaffolds consisting of poly(vinyl alcohol) 7wt.% and 3wt.% of bioactive glass with 58wt.% of SiO 2, 33wt.% of CaO and 9wt.% of P 2 O 5 were produced via sol-gel method. The hybrids were crosslinked with glutaraldehyde and stabilized with alcaline solution. Samples were soaked in simulated body fluid medium (SBF) and deionized water at 37 o C for periods of time up to 21 days, for degradation study. After immersion samples were characterized by SEM, swelling, weight loss and surface deposition tests. The preliminary results for samples prepared with 5wt.% of glutaraldehyde indicate gradual degradation in aqueous medium and presence of calcium phosphate layer deposited on the surface of samples stabilized and immersed in SBF solution. Keywords: poly(vinyl alcohol), crosslinking, bioactive glass, scaffold, degradation. Introdução O conceito básico da engenharia de tecidos inclui uma matriz que apresente determinada arquitetura na qual células semeadas possam se organizar e desenvolver o órgão ou tecido desejado, antes da sua implantação. A matriz deve promover um perfil biomecânico inicial para reposição tissular até que as células produzam uma matriz extracelular adequada. Durante a formação, deposição e organização da nova matriz gerada, a matriz inicial é degradada ou metabolizada, levando eventualmente a um órgão ou tecido vital que restaura, mantêm ou melhora as funções teciduais [1]. Cerâmicas bioativas têm sido estudadas e usadas largamente como matrizes porosas em virtude das suas propriedades osteocondutoras que permitem a colonização de células ósseas, da sua habilidade

2 de promover a formação de uma interface contínua entre osso-cerâmica, além de apresentar um mecanismo de fixação do implante com o tecido do hospedeiro. Entretanto, os vidros bioativos (BaG) têm baixa resitência mecânica à compressão, especialmente na forma porosa, se comparados com osso cortical ou medular [2-6]. Compósitos, que incluem polímeros sintéticos e biológicos, com uma fase de vidro bioativo, têm a capacidade potencial de combinar o comportamento bioativo com propriedades mecânicas adequadas. Mais especificamente, materiais compósitos a base de polímeros biodegradáveis, associados com vidros bioativos, são de particular interesse para a engenharia de tecido, porque oferecem um excelente balanço entre resistência e tenacidade, além da melhora nas propriedades mecânicas, quando comparados com seus componentes individuais [7-11]. Dentre os vários polímeros, o poli(álcool vinílico) (PVA), caracterizado por ser um polímero solúvel em água, tem sido freqüentemente explorado como material de implante em aplicações biomédicas para sistemas de liberação de drogas, membranas utilizadas em diálise, cobertura para feridas, pele artificial, dispositivos cardiovasculares e reparos cirúrgicos, aproveitando de sua excelente resistência mecânica, biocompatibilidade e baixa toxicidade [7-8, 12-13]. O objetivo desse trabalho foi obter híbridos macroporosos para aplicação em engenharia de tecidos preparados à base de poli(álcool vinílico)/vidro bioativo, reticulados com glutaraldeído e submetidos a processo para neutralização de produtos residuais do processo de síntese e avaliar o seu comportamento físico químico através de ensaio de degradação/intumescimento em meio aquoso bem como verificar a capacidade de deposição superficial de íons de solução SBF. Experimental Preparo da solução de PVA Foi selecionado o poli(álcool vinílico) da marca Sigma Aldrich N o , com grau de hidrólise 8% e massa molar entre 9.-1.g/mol. As soluções aquosas de PVA foram preparadas na fração de 28% (p/v), através da dissolução do pó de PVA em banho maria à 8 o C, sob agitação constante por 2 horas. O ph das soluções foi ajustado para 2, com a utilização de solução 2M de ácido clorídrico.

3 Preparo da solução inicial de vidro bioativo (BaG) A solução inicial de BaG apresentando a composição 58% (p/p) de SiO 2-33% (p/p) de CaO 2 e 9% (p/p) de P 2 O 5 foi sintetizada a partir da mistura de tetraetilortosilicato (TEOS) Sigma Aldrich N o , água deionizada, trietilfosfato (TEP) - Sigma Aldrich N o C3881 e cloreto de cálcio - Sigma Aldrich N o , na presença de solução 2M de ácido clorídrico. Foi adotado o valor 12 para a razão molar H 2 O/TEOS. Preparo das espumas híbridas de PVA-BaG-GA A composição dos híbridos preparados foi de 7% (p/p) de polímero para 3% (p/p) de vidro bioativo. Os híbridos foram obtidos usando um procedimento similar ao descrito em nosso trabalho anterior [11]. Uma quantidade apropriada da solução inicial de vidro bioativo foi adicionada a solução de PVA. A essa solução resultante foram adicionados o surfactante sulfato laureato de sódio, a solução 1% (v/v) de ácido fluorídrico e a solução 25% (p/v) de glutaraldeído (GA). A mistura foi então agitada vigorosamente. O ácido fluorídrico foi utilizado para catalisar a geleificação e o glutaraldeído como agente de ligação cruzada. As espumas foram vertidas em recipientes plásticos, no momento do processo de geleificação atingir o inicio de alteração brusca na viscosidade. Em seguida os recipientes foram vedados, para inicio do processo de envelhecimento, permanecendo por 3 dias à temperatura de 4 o C, quando foram abertos e mantidos na mesma temperatura por mais 7 dias, para permitir a secagem. Preparo das amostras de PVA-BG para Imersão em Água DI e SBF As amostras foram preparadas na forma de discos com raio 25mm e espessura de 1mm. A forma adotada buscou garantir uma área uniforme. O volume de solução utilizado seguiu a relação (Área da seção circular da amostra/volume de solução) de,1cm -1. O número de replicatas para cada ensaio foi igual a três. Protocolo de Imersão das amostras Dois tipos de flúidos simuladores corpóreos foram preparados, o SBF 1. de acordo com Kokubo (199) [14], apresentando composição conforme tabela 1 e outra solução designada como SBF 1.4, apresentando 4% a mais de reagentes que o SBF 1.. As amostras após cortadas foram pesadas,

4 sendo realizada a medida cinco vezes e adotando o valor das médias como a massa inicial. Após esse procedimento as amostras foram mantidas em dessecador por 24 horas. Novamente foram pesadas as massas de cada amostra, para averiguar diferenças na capacidade de hidratação das mesmas e tomadas as medidas. Em seguida as amostras foram imersas em água deionizada ou SBF 1., ambas na temperatura de 37±2 o C e mantidas por 7 dias, quando as amostras imersas na solução SBF 1. tiveram a solução substituída para SBF 1.4. Após 7 dias, essa solução SBF 1.4 foi substituída por nova solução SBF 1.4. As medidas das massas foram também realizadas com as amostras secas em dessecador após 7 e 21 dias de imersão. Tabela 1 - Concentração iônica do plasma sanguineo e do SBF (mmol/l) Na + K + Mg 2+ Ca 2+ Cl - HCO 3 - HPO 4 2- SO 4 2- Plasma Sanguineo 142, 3,6 5,5 1, 2,1 2,6 95, 17, 27,,65 1,45 1, SBF 142, 5, 1,5 2,5 148,8 4,2 1,,5 Fonte: KOKUBO et al., 199. Resultados e Discussão Através dos ensaios de imersão em água deionizada e em solução SBF podemos acompanhar parte do comportamento de degradação dos híbridos PVA/BaG/GA, e destacar alguns aspectos morfológicos das amostras mantidas em imersão. A partir das medidas iniciais da massa dos híbridos, observamos que amostras sem tratamento com amônia apresentaram em torno de 8% de massa seca, ou seja, 2% de hidratação e os híbridos submetidos ao processo de neutralização mostraram em torno de 5% de massa seca e 5% de água adsorvida. As variações de massa, ou seja a hidratação inicial, bem como as características de intumescimento para os períodos de 7 e 21 dias apresentaram comportamento, conforme a figura 1. As amostras sem tratamento estabilizador apresentaram inicialmente baixa quantidade de água adsorvida, mas após imersão nas soluções estudadas mostraram hidratação em torno de três vezes o valor correspondente a massa seca, com certa redução após 21 dias, se comparada com os valores obtidos para 7 dias. As amostras submetidas ao tratamento estabilizador, cujos valores iniciais de hidratação foram 5% também apresentaram valores de hidratação cerca de três vezes maior, mas com tendência de aumento para amostras imersas em água DI e de redução para amostras imersas em SBF, com o aumento do tempo de imersão.

5 25 Sem tratamento estabilizador B Massa Seca C Massa de H 2 O 25 Com tratamento estabilizador B Massa Seca C Massa de H 2 O 2 A 2 B Massa (%) 1 Massa (%) Dias 7 Dias H2O 7 Dias SBF 21 Dias H2O 21 Dias SBF Dias 7 Dias H2O 7 Dias SBF 21 Dias H2O 21 Dias SBF Figura 1 Gráfico mostrando massa seca, hidratação e intumescimento em função da massa seca, para amostrs de PVA/BaG/GA antes (a) e após (b) processo de neutralização com solução alcalina. O gráfico da figura 2 mostra a redução de massa em função do tempo de imersão. É importante evidenciar que os valores referem-se à massa seca e os resultados apresentam na sua maioria comportamento semelhante tanto para água HDI como para o SBF. As amostras sem tratamento estabilizador apresentaram maior degradação para ambos os tempos estudados se comparadas com amostras tratadas com amônia. Como era de se esperar houve uma maior perda de massa nos primeiros sete dias, que ficou em torno de 2% para amostras tratadas e 25% para amostras sem tratamento. Essa diferença sugere que o tratamento com amônia tenha atuado em parte dos produtos residuais do processo de síntese promovendo sua remoção da estrutura de maneira mais acelerada, pois como podemos perceber nos valores obtidos com 21 dias de imersão, amostras tratadas mantiveram menor taxa de degradação. B - c/ NH 4 OH - HDI C - c/ NH 4 OH - SBF 1 D - s/ NH 4 OH - HDI 1 E - s/ NH 4 OH - SBF 8 8 Perda de Massa (%) Tempo de Imersão (dias) Figura 2 Gráfico mostrando perda de massa para períodos de até 21 dias de imersão em soluções de água deionizada e SBF, em amostras PVA/BaG/GA.

6 A figuras 3a e 3b apresentam imagens de MEV da superfície de amostras dos híbridos PVA/BaG/GA submetidas pelo período de 7 dias a ensaio de imersão em água deionizada e SBF, respectivamente. Na figura 3a pode ser observada uma superfície regular com aspecto de integridade indicando resistência das amostras a degradação em meio aquoso, para o período de 7 dias. A amostra imersa em SBF, mostrada na figura 3b, apresenta aspecto superficial com textura mais pronunciada e presença de partículas em forma de agulha cobrindo toda a região visualizada, aspecto esse compatível com camadas de fosfato de cálcio depositadas em materiais tratados para apresentar adesão em cultura de células [15]. A B 15 kv x5. 1µm Demet/UFMG 15 kv x5. 1µm Demet/UFMG Figura 3 MEV de amostras dos híbridos PVA/BaG/GA submetidas a processo de estabilização com solução alcalina e imersos em (a) água deionizada e (b) SBF, pelo período de 7 dias. Conclusões As amostras das matrizes híbridas tridimensionais de PVA/vidro bioativo apresentaram variação no grau de hidratação antes e após serem submetidas ao processo de neutralização com solução alcalina, sendo observada maior hidratação após o tratamento neutralizador o que pode sugerir uma modificação na superfície do material levando a uma característica mais hidrofílica. A reatividade superficial também se mostra evidente através das amostras imersas em SBF, que apresentam deposição superficial, compatíveis com camada de fosfato de cálcio, o que sugere superfície favorável para reagir com cultura de células. Agradecimentos Os autores agradecem ao suporte financeiro concedido pelo CNPq/FAPEMIG/CAPES nesse projeto.

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