AVALIAÇÃO DO EFEITO DA INCORPORAÇÃO IN SITU DE AGENTES RADIOPACOS E DA HIDROXIAPATITA NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE CIMENTOS ÓSSEOS A BASE DE PMMA G. D. AZEVEDO 1, J. C. PINTO 1 e P. H. M. CUNHA 2 1 Universidade Federal do Rio de Janeiro, Programa de Engenharia Química/COPPE 2 Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola de Química E-mail para contato: gazevedo@peq.coppe.ufrj.br RESUMO O poli(metacrilato de metila) (PMMA) é um material bastante utilizado na área biomédica, como na fabricação de resinas dentárias, membranas para diálise e cimentos ósseos. Os cimentos ósseos constituem uma mistura do PMMA com seu monômero, o metacrilato de metila (MMA), um iniciador e algumas substâncias inorgânicas para controlar melhor a aplicação do material e melhorar sua resistência mecânica. No presente trabalho, propôs-se a polimerização em suspensão do MMA e a incorporação in situ de diferentes agentes radiopacos, utilizados para melhorar a aplicação do material, e a hidroxiapatita (HA), utilizada para melhorar a resistência mecânica. O efeito da mistura dos aditivos inorgânicos também foi avaliado. Foi proposto um modelo matemático correlacionando a concentração dos compostos inorgânicos com a tensão e o módulo de Young do cimento ósseo produzido. Verificou-se que o modelo proposto se ajustou adequadamente aos dados obtidos. Além disso, efeitos positivos na resistência mecânica com a incorporação da HA também puderam ser observados. 1. INTRODUÇÃO Apesar de não ser um tema recente, a aplicação de polímeros na área médica, em especial na ortopedia, vem despertando bastante interesse dos pesquisadores em diversas partes do mundo. Dentro deste contexto, vale destacar a importância do poli(metacrilato de metila) (PMMA), devido às suas excelentes propriedades ópticas e mecânicas, aliadas a sua excelente biocompatibilidade. Tais características o tornam o principal polímero usado em diversas aplicações médicas, tais como sistemas de liberação controlada de fármacos e cimentos ósseos (Santos et al., 2011; Enayati et al., 2012) Os cimentos ósseos são materiais produzidos a partir da mistura do PMMA sólido com seu monômero no estado líquido (metacrilato de metila, MMA), originando uma massa pastosa em função
do emaranhado de cadeias de PMMA que se formava pela polimerização do MMA com as cadeias de PMMA já existentes. Durante essa mistura, ocorre a polimerização em massa do MMA via radicais livres. Para que a reação ocorra, são necessários também um iniciador, que gera os radicais livres ao se decompor, e um ativador, responsável por decompor o iniciador a temperaturas mais baixas. O iniciador e o ativador mais utilizados na preparação dos cimentos ósseos são o peróxido de benzoíla (BPO) e a N,N-dimetil-p-toluidina (DMPT), respectivamente. As microesferas de PMMA são necessárias para viabilizar a aplicação do produto in situ e in vivo, pois sua solubilização na fase contínua promove aceleração da reação (Santos et al., 2011). Na formulação dos cimentos ósseos atuais, adiciona-se alguns agentes radiopacos, com o objetivo de monitorar a aplicação do material e o tratamento pós-cirúrgico. Utiliza-se alguns compostos inorgânicos para este fim, sendo o sulfato de bário (BaSO 4 ) e o dióxido de zircônio (ZrO 2 ) os agentes mais comuns (Santos et al., 2011). Todavia, podem ser observadas algumas diferenças no comportamento mecânico dos cimentos ósseos devido a presença desses materiais. Vazquez et al. (1997) observaram um aumento no módulo de Young do cimento ósseo com o aumento da quantidade de BaSO 4 na receita. Em contrapartida, a resistência mecânica foi reduzida quando comparada com as formulações livres do sal. A ideia de introduzir compostos inorgânicos nas formulações comerciais do cimento ósseo com o objetivo de melhorar as propriedades mecânicas do material também tem sido o tema de vários trabalhos (Perek e Pilliar, 1992; Vallo et al., 1999). Em diversos estudos, a hidroxiapatita (HA) aparece como uma excelente alternativa para reforço de polímeros, em função de sua excelente biocompatibilidade com o tecido ósseo (Cisneros-Pineda et al., 2014; Ayatollahi et al., 2015; Wang et al., 2015). Apesar dos mais variados estudos da influência destes componentes nas propriedades mecânicas do cimento ósseo, ainda não há registro na literatura de um estudo que avalie a influência dos três componentes (HA, BaSO 4 e ZrO 2 ) misturados simultaneamente in situ nas propriedades mecânicas finais do cimento ósseo. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Materiais Para a preparação dos cimentos ósseos, foram utilizados o metacrilato de metila (MMA, 99,5 % de pureza, fornecido pela Vetec Química Fina) como monômero, peróxido de benzoíla (BPO, 99 % de pureza e 25 % de umidade, fornecido pela Vetec Química Fina) como iniciador e N,N-dimetil-ptoluidina (DMPT, 99 % de pureza, fornecido pela Sigma Aldrich) como ativador. Para a síntese das amostras de PMMA utilizadas no preparo dos cimentos ósseos, foram utilizados, além do MMA e do BPO, a hidroxiapatita (HA, 99,5 % de pureza, fornecido pela Spectrum Chemical Manufacturing Corporation), o sulfato de bário (BaSO 4, 97,5 % de pureza,
fornecido pela Vetec Química Fina) e o dióxido de zircônio (ZrO 2, 99 % de pureza, fornecido pela Sigma Aldrich) como aditivos. Foi utilizado, também, o poli(álcool vinílico) (PVA, 98 % de pureza, grau de hidrólise de 88 % e Mw = 25000, fornecido pela Vetec Químia Fina) como agente estabilizante. 2.2. Descrição dos Corpos de Prova Foi usinado um molde em aço inoxidável com as dimensões das cavidades a serem preenchidas pelo cimento ósseo descritas na norma ASTM (ASTM F 451-86), específica para formulações acrílicas de cimento ósseo. Cada corpo de prova produzido era perfeitamente cilíndrico, com diâmetro da base igual a 6 mm. 2.3. Polimerização em Suspensão do Metacrilato de Metila As amostras de PMMA utilizadas na preparação do cimento ósseo foram sintetizadas no Laboratório de Modelagem, Simulação e Controle de Processos (LMSCP) do Programa de Engenharia Química da COPPE/UFRJ, através da polimerização em suspensão do MMA, seguindo a receita descrita na literatura para estes tipos de polimerização (Pinto et al., 2006; Santos et al., 2011). A fase aquosa era composta de 0,45 g de PVA e 450 g de H 2 O, enquanto a fase orgânica era composta de 150 g de MMA e 1 g de BPO. As quantidades dos compostos inorgânicos dissolvidos na fase orgânica variavam em 0 (quando nenhum dos componentes encontrava-se presente na formulação), 13,3 g (quando todos os compostos encontravam-se presentes na formulação), 20 g (quando apenas dois compostos encontravam-se presentes na formulação) e 40 g (quando apenas um dos compostos encontrava-se presente na formulação). A reação foi realizada em um reator encamisado de vidro borossilicato de 1 L de capacidade. O reator possui uma tampa metálica de aço inoxidável contendo seis orifícios: um orifício central para encaixe da haste de agitação, um orifício para o condensador de refluxo e um orifício para alimentação dos reagentes. Os três orifícios restantes são vedados com rolhas de borracha sintética. A tampa é fixada ao reator com o auxílio de uma braçadeira metálica. Um anel de viton é colocado entre a tampa e o reator, com o intuito de impedir possíveis vazamentos durante a reação. Um banho de aquecimento e um de resfriamento (Julabo F32), contendo etilenoglicol, foi utilizado para manter o reator na temperatura de reação e para manter o condensador de refluxo numa temperatura baixa, para evitar a perda monômero. Após o término da reação, as partículas foram lavadas e filtradas com água deionizada e colocadas para secar numa estufa de recirculação a 32 ºC por 24 horas. Após secas, as partículas foram peneiradas por 30 minutos utilizando peneiras Berterl Equipamentos Metalúrgicos Ltda., com MESH igual a 200 (75 µm), 150 (106 µm) e 100 (150 µm). 2.4. Preparação do Cimento Ósseo O procedimento experimental utilizado para preparação do cimento ósseo consiste em duas etapas: preparação da massa de cimento ósseo e preenchimento do molde para preparo dos corpos de
prova para o ensaio de resistência à compressão. Em um bécher, foram pesadas as massas dos sólidos: PMMA e BPO. Esta mistura foi transferida para um grau e misturada suavemente com um pistilo (para não alterar a granulometria dos reagentes) até completa homogeneização. Em um outro bécher, são pesadas as massas dos líquidos: MMA e DMPT. Após homogeneizar a massa, ela foi despejada, ainda no estado pastoso, sobre a placa perfurada do molde, que foi previamente colocada sobre uma das placas lisas. Após a massa ser devidamente acomodada no molde, a tampa superior foi então colocada e o molde fechado, pressionado em uma morsa por um período de uma hora. Após esse tempo, a morsa foi afrouxada, as tampas superior e inferior do molde foram retiradas e, com o auxílio do pino de aço inox, os corpos de prova foram retirados do molde. As massas utilizadas para a preparação dos corpos de prova foram 7,5 g de PMMA, 5 g de MMA, 0,2 g de DMPT e 1,5 g de BPO. 2.5. Planejamento Experimental O planejamento experimental deste trabalho seguiu o modelo de planejamento de mistura (Piepel e Cornell, 1994). Foi estipulada como carga máxima uma massa de 40 g de agentes inorgânicos e, a partir daí, foram feitas as combinações possíveis dos três ativos. A Tabela 1 traz o plano experimental de mistura normalizado. As réplicas dos experimentos foram feitas no ponto de composições (1/3,1/3,1/3) (PMMA8). Os erros experimentais foram calculados a partir das réplicas neste ponto. As réplicas foram denominadas PMMA9 e PMMA10. Tabela 1 Planejamento experimental de mistura. Amostra BaSO 4 ZrO 2 HA Amostra BaSO 4 ZrO 2 HA PMMA1 0 0 0 PMMA5 1/2 1/2 0 PMMA2 1 0 0 PMMA6 1/2 0 1/2 PMMA3 0 1 0 PMMA7 0 1/2 1/2 PMMA4 0 0 1 PMMA8 1/3 1/3 1/3 2.6. Ensaios de Resistência à Compressão Os ensaios de resistência à compressão foram realizados utilizando uma máquina de ensaio universal EMIC (modelo DL2000) com uma célula de carga de 20 kn. O aparelho fornece uma curva de tensão versus deformação para cada corpo de prova, quando a área de cada corpo de prova é
configurada previamente. Além disso, o aparelho também fornece os valores calculados do módulo de Young. 2.7. Construção dos Modelos Empíricos Foram construídos dois modelos empíricos diferentes correlacionando a tensão máxima experimentada pelo material e o módulo de Young com as frações mássicas de cada um dos agentes inorgânicos. Estes modelos foram construídos utilizando o software Statistica 10. A função de otimização escolhida foi a de mínimos quadrados: (y obs y pred ) 2, onde y obs é o valor da variável y (tensão ou módulo de Young) observado e y pred é o valor predito pelo software para a variável y. Inicialmente, propôs-se um modelo genérico tanto para a tensão e o módulo de Young na forma da Equação 1, onde x 1 representa a fração mássica de BaSO 4, x 2 representa a fração mássica de ZrO 2 e x 3 representa a fração mássica de HA! = # $ % $ + # ' % ' + # ( % ( + # ) % $ % ' + # * % $ % ( + # + % ' % ( (1) Como as variáveis x 1, x 2 e x 3 estão sempre correlacionadas (x 1 + x 2 + x 3 = 1), foi desconsiderado o efeito de sinergia entre as variáveis (x 1 x 2 x 3 ), visto que o mesmo é pouco significativo. A partir desse modelo, foram feitas estimações para os parâmetros a i, com 95 % de confiança. Na análise estatística do modelo, o software era capaz de dizer quais parâmetros eram significativos ou não durante a estimação. Toda vez que um ou mais parâmetros eram considerados não significativos, estes eram eliminados e um novo modelo era proposto, desconsiderando a influência dos parâmetros não significativos (e, consequentemente, das variáveis a eles relacionadas) no novo modelo. O modelo era considerado perfeitamente ajustado quando todos os parâmetros eram considerados significativos. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Foi avaliada a influência da presença dos agentes inorgânicos na tensão experimentada pelos corpos de prova e no módulo de Young das diferentes amostras de PMMA. Foram construídos, também, modelos empíricos correlacionando estas propriedades mecânicas com a fração mássica dos inorgânicos presentes na formulação. A tensão (σ) experimentada pelos corpos de prova é função da deformação sofrida pelo corpo em questão. De maneira geral, a tendência é que a deformação que um corpo sofre aumente com a intensidade da tensão experimentada por ele, até que este corpo experimente uma tensão máxima para a qual, a partir dela, não exista mais aumento na tensão com o aumento da deformação. O módulo de Young (Ε) é dado pela razão entre a tensão experimentada por um corpo e a
deformação sofrida por ele. A Tabela 2 traz os resultados obtidos para a tensão máxima e para o módulo de Young obtidos para cada uma das amostras de PMMA. Tabela 2 Tensão de cisalhamento (σ) e módulo de Young (Ε) das amostras de cimento ósseo. Amostra σ (MPa) Ε (MPa) Amostra σ (MPa) Ε (MPa) PMMA1 64,89 + 4,56 1456,33 + 105,09 PMMA6 64,38 + 3,04 1626,1 + 62,3 PMMA2 58,49 + 1,31 1597,14 + 66,34 PMMA7 67,73 + 1,21 1730,1 + 27,2 PMMA3 61,22 + 0,94 1659,78 + 43,43 PMMA8 60,83 + 0,96 1646,6 + 45,2 PMMA4 61,14 + 1,70 1631,71 + 28,00 PMMA9 64,32 + 2,06 1658,2 + 65,4 PMMA5 61,37 + 3,75 1554,50 + 100,82 PMMA10 64,89 + 1,69 1703,8 + 64,9 Como já era esperado, a adição de BaSO 4 reduziu a tensão máxima de cisalhamento suportada pelo material (PMMA2 com PMMA1). A introdução da HA (PMMA6 e PMMA7) aumentou a tensão de cisalhamento experimentada pelos corpos de prova. Este resultado já havia sido relatado por Santos et al. (2011) e o mesmo efeito também foi observado neste trabalho, quando a HA foi incorporada in situ. Por fim, os experimentos envolvendo os três compostos inorgânicos dispersos simultaneamente na fase orgânica (PMMA8, PMMA9 e PMMA10) mostraram que a presença de HA aumentou a resistência mecânica do material, mas não tanto quanto nos experimentos em que havia apenas um agente radiopaco presente com a HA (PMMA6 e PMMA7), demonstrando que a resistência mecânica do material tende a reduzir com o número de agentes radiopacos presentes no polímero. Analogamente, a presença da HA aumentou o módulo de Young do material (PMMA3) quando comparado com as formulações livre deste agente (PMMA1, PMMA2, PMMA6). Este resultado já era esperado e confirma que o mesmo efeito exercido pelos agentes radiopacos (de piorar as propriedades mecânicas) e pela HA (de melhorar as propriedades mecânicas) ocorre tanto quando estes são incorporados in situ quanto ex situ (Santos et al., 2011). 3.1. Modelos Empíricos O modelo empírico proposto correlacionando a tensão experimentada pelos corpos de prova (y 1 ) com a fração mássica dos agentes inorgânicos presentes no meio encontra-se representado pela
Equação 2, enquanto o modelo empírico correlacionando o módulo de Young (y2) com a fração mássica dos agentes inorgânicos encontra-se representado pela Equação 3.!" = (58,936 ± 2,516)/" + (61,662 ± 2,516)/1 + (61,232 ± 2,727)/3 + (15,790 ± 12,252)/" /3 + (23,726 ± 12,252)/1 /3 (2)!" = (1602,436 ± 36,773)/0 + (1657,693 ± 40,156)/" + (1637,006 ± 36,773)/4 + ( 268,661 ± 179,077)/0 /" + (364,518 ± 179,077)/" /4 (3) Pode-se afirmar que os maiores valores dos parâmetros representam as variáveis mais importantes para o modelo. Neste caso, as variáveis x1 (BaSO4), x2 (ZrO2) e x3 (HA) são as variáveis mais importantes nos dois modelos propostos. Devido ao valor elevado do erro dos parâmetros, a combinação linear das variáveis (x1x2, x1x3 e x2x3) pouco influencia nos resultados obtidos em ambos os modelos. Nos dois modelos, o valor de R2 foi da ordem de 0,98, garantindo boa acurácia. As curvas dos valores observados versus valores estimados para os parâmetros dos dois modelos encontram-se ilustrados na Figura 1. Figura 1 Valores observados e valores estimados para os parâmetros dos modelos de tensão (esquerda) e módulo de Young (direita). 4. CONCLUSÕES Pode-se concluir que as concentrações individuais dos agentes radiopacos (BaSO4 e ZrO2) e da HA influenciam diretamente nos resultados obtidos para a tensão de cisalhamento e módulo de Young do cimento ósseo. Mais precisamente, estas concentrações possuem efeito mais significativo quando analisadas isoladamente, não havendo efeitos muito significativos quando estas concentrações são analisadas em pares. Todavia, a inclusão destes efeitos em pares se mostrou importante para a adequação do modelo aos dados experimentais obtidos.
A incorporação in situ dos agentes radiopacos e da HA resultou na diminuição dos valores para a tensão de cisalhamento e do módulo de Young do material, quando comparado aos mesmos resultados utilizando a incorporação ex situ. Este resultado pode indicar que estes agentes inorgânicos não foram totalmente incorporados na matriz polimérica. A confirmação desta hipótese pode ser feita realizando as técnicas de calorimetria de varredura diferencial (DSC) e análise termogravimétrica (TGA). 6. REFERÊNCIAS PIEPEL, G. F.; CORNELL, J.A. Mixture experiment approaches: examples, discussion, and recommendations. J. Qual. Tech., v. 26, p. 177-196, 1994. CISNEROS-PINEDA, O. G.; KAO, W. H.; LORÍA-BASTARRACHEA, M. I.; VERANES- PANTOJA, Y.; CAUICH-RODRÍGUEZ, J. V.; CERVANTES-UC, J. M. Towards optimization of the silanization process of hydroxyapatite for its use in bone cement formulations. Mat. Sci. Eng. C., v. 40, p. 157-163, 2014. WANG, X.; YU, W.; ZHAO, J.; TANG, Q.; WANG, M.; NING, X. Preparation and mechanical properties of reinforced hydroxyapatite bone cement with nano-zro 2. Cer. Int., v. 41, p. 10600-10606, 2015. AYATOLLAHI, M. R.; YAHYA, M. Y.; SHIRAZI, H. A.; HASSAN, S. A. Mechanical and tribological properties of hydroxyapatite nanoparticles extracted from natural bovine bone and the bone cement developed by nano-sized bovine hydroxyapatite filler. Cer. Int., v. 41, p. 10818-10827, 2015. SANTOS, J. G. F.; PITA, V. J. R R.; MELO, P. A.; NELE, M.; PINTO, J. C. Production of bone cement composites: Effect of fillers, co-monomer and particles properties. Bra. J. Chem. Eng., v. 28, p. 229-241, 2011. VAZQUEZ, B.; DEB, S.; BONFIELD, W. Optimization of benzoyl peroxide concentration in an experimental bone cement based on poly(methyl methacrylate). J. Mat. Sci., v. 8, p. 455-460, 1997. PEREK, J.; PILLIAR, R. M. Fracture toughness of composite acrylic bone cements. J. Mat. Sci., v. 3, p. 333-344, 1992. VALLO, C. I.; MONTEMARTINI, P. E.; FANOVICH, M. A.; LÓPEZ, J. M. P.; CUADRADO, T. R. Polymethylmethacrylate-based bone cement modified with hydroxyapatite. J. Biomed. Mater. Res., v. 48, p. 150-158, 1999. ENAYATI, M.; MOHAZEY, D.; EDIRISINGHE, M.; STRIDE, E. Ultrasound-stimulated drug release from polymer micro and nanoparticles. Bioinsp. Biomim. Nanobiomat., v. 2, p. 3-10, 2012. PINTO, J. C.; SANTOS JR., J. G. F.; PEIXOTO, L. S.; NELE, M.; MELO, P. A. Theoretical and experimental investigation of the production of PMMA-based bone cement. Macromol. Symp., v. 243, p. 1-12, 2006.