DESENVOLVIMENTO DE SACAFFOLD POROSO BIOATIVO DE PEUAPM PARA UTILIZAÇÃO COMO BIOMATERIAL PARA REPOSIÇÃO E REGENERAÇÃO ÓSSEA Anahi H. Aparecida 1*, Marcus V. L. Fook 2, Antonio C. Guastaldi 1 1* Universidade Estadual Paulista UNESP, Instituto de Química - Departamento de Físico-Química - Grupo de Biomateriais Araraquara SP aherrera@iq.unesp.br 2 Universidade Federal de Campina Grande UFCG Departamento de Engenharia de Materiais Campina Grande PB As propriedades Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular - PEUAPM tornam este polímero o material de escolha para a confecção de biomateriais para a reposição de articulações, contudo seu caráter bioinerte impede sua interação direta com o tecido ósseo, sendo a principal causa de falhas do implante. A utilização de biomateriais porosos revestidos com material bioativo tem se apresentado como uma alternativa efetiva para a obtenção de uma ligação segura entre tecido e implante e sua completa vascularização. Scaffolds porosos bioativos de PEUAPM foram desenvolvidos utilizando-se NaCl como agente porogênico e o método biomimético com o emprego de solução SBF modificada para a obtenção de recobrimento bioativo de fosfato de cálcio. Os materiais desenvolvidos apresentaram porosidade superior a 65% com a presença de poros interconectados e com diferentes tamanhos, inclusive superiores a 100µm, e recobrimento bioativo de composição semelhante à fase mineral do osso, podendo ser considerados adequados para a utilização como biomaterial para reposição e regeneração óssea. Palavras-chave: Biomateriais, Scaffolds porosos, Polietileno de ultra alto peso molecular, Recobrimento bioativo, Método Biomimético. DEVELOPMENT OF POROUS BIOACTIVE UHMWPE SCAFFOLDS FOR USE AS BIOMATERIALS FOR OSSEOUS REPLACEMENT AND REGENERATION The properties of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) make this polymer the material of choice for the preparation of biomaterials for the joints replacement, however, its bioinerte character restrain its direct interaction with the bone, being the main cause of failure of the implant. The use of porous biomaterials coated with bioactive material has been presented as an effective alternative for obtaining a secure connection between implant and tissue and its complete vascularization. Porous bioactive UHMWPE scaffolds were developed by using NaCl as channeling agent and biomimetic method for obtaining bioactive calcium phosphate coating. The developed materials presented porosity more than 65% with the presence of interconnected pores and with different size, include more than 100µm, and bioactive coating of similar composition to the mineral phase of bone, may be considered suitable for use as biomaterial for osseous replacement and regeneration. Keywords: Biomaterials, Scaffolds, Ultra-High Molecular Weight Polyethylene, Bioactive coating, Biomimetic Method. Introdução A utilização de materiais porosos têm se apresentado como uma alternativa efetiva para a confecção de biomateriais para a substituição óssea, pois permite a obtenção de uma ligação segura entre tecido e implante. A presença de poros e canais interconectados possibilita o crescimento e a penetração de novas células ósseas por todo o implante e sua completa vascularização, reduzindo a migração do implante após a implantação e o risco de infecções [Saiz, 2006; Otsuki, 2006]. Um dos critérios que deve ser considerado na concepção de biomateriais porosos inclui o tamanho e a interconectividade dos poros, pois apresentam crucial influência no crescimento ósseo. Um tamanho ideal de poros na faixa de 100 a 400µm foi estabelecido como critério importante para um crescimento continuado do osso no interior dos poros, devido ao tamanho das células, necessidades de migração e transporte de nutrientes [Otsuki, 2006; Jones, 2007; Jones, 2009]. Além
do tamanho dos poros, o tratamento superficial e a estrutura do implante também apresentam papel importante no crescimento ósseo. A diferenciação celular e o crescimento ósseo são acelerados quando a superfície do implante poroso é revestida por um material bioativo, o que induz o crescimento de novo tecido para o interior dos poros [Otsuki, 2006; Saiz, 2007]. O Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular PEUAPM é o material de escolha para a confecção de biomateriais para a reposição de articulações, tais como próteses de ombro, joelho e quadril devido às suas propriedades, tais como, módulo de elasticidade semelhante ao osso, baixo coeficiente de atrito, reduzida perda de volume por abrasão e excelente biocompatibilidade. Contudo, seu caráter bioinerte, decorrente de sua baixa reatividade química, apresenta-se como desvantagem quando este material entra em contato com o osso, sendo reportado como o principal responsável por falhas no implante [Knoch, 2005, Baker, 2007; Reggiani, 2005; Yang, 2007]. Com a crescente demanda por implantes ortopédicos pela população mundial e o aumento da utilização de tais implantes por pacientes cada vez mais jovens e ativos, os problemas apresentados pelas próteses convencionais necessitam ser urgentemente resolvidos. Uma forma de otimizar a interação do PEUAPM com o tecido ósseo é pela utilização do polímero poroso e sua associação com biocerâmicas bioativas de fosfatos de cálcio, tornando a sua superfície bioativa e incentivando o crescimento e a penetração de novas células ósseas no interior do implante. Neste trabalho desenvolveu-se scaffolds porosos bioativos de PEUAPM para a utilização como biomaterial para a reposição e regeneração óssea. A estrutura porosa e a composição da fase bioativa foram escolhidas mediante à similaridade com o tecido ósseo. Materiais e Métodos Preparação de scaffolds porosos de PEUAPM: Scaffolds porosos de PEUAPM foram obtidos utilizando-se NaCl como agente porogênico na concentração de 70% (m/m) e com tamanho de partículas na faixa de 175-500µm. Os componentes em pó (PEUAPM UTEC 6541 e NaCl de grau analítico) foram misturados em almofariz e então moldados por compressão utilizando-se prensa uniaxial e molde metálico de 1,2cm de diâmetro, aplicando-se pressão de 5,0 toneladas. Após moldadas, as amostras foram submetidas a tratamento térmico a 160ºC por 2 horas, com taxa de aquecimento e resfriamento de 5ºC/minuto, e então lavadas em água destilada quente para promover a lixiviação das partículas de NaCl. Os scaffolds porosos obtidos foram analisados por Microscopia Eletrônica de Varredura MEV e a porosidade (P 0 ) foi determinada pela medida das dimensões e da massa das amostras, aplicando-se as equações de 1 a 3 [Karageorgiou, 2005; Hou, 2003]:
P 0 = 1 d P /d np Equação 1 d = m/v Equação 2 V = π R 2 L Equação 3 onde: d P = densidade da amostra porosa; d np = densidade da amostra não porosa obtida nas mesmas condições de processamento; m = massa das amostras; V = volume das amostras; R = raio das amostras; L = altura das amostras. Recobrimento biomimético dos scaffolds porosos: Os scaffolds porosos de PEUAPM, após limpeza em ultrassom por 15 minutos em acetona e 15 minutos em água desmineralizada, foram submetidos à modificação de superfície utilizando-se solução de H 2 O 2 30% pelo período de 48 horas, efetuando-se a troca da solução após 24 horas de imersão [Fook, 2005]. Após a modificação, os scaffolds porosos foram então submetidos ao método biomimético de recobrimento utilizando-se solução SBF com composição modificada [Aparecida, 2009]. A composição da solução SBF modificada é apresentada na tabela 1. Tabela 1: Composição da solução SBF modificada (mmol.dm -3 ). Na + K + Mg 2+ Ca 2+ Cl - HPO 4 2- SO 4 2- HCO 3 - SBF 140,4 - - 3,1 142,9 1,86-5,0 Os scaffolds porosos foram mantidos em SBF modificada a 37ºC pelo período de 7 dias, efetuando-se a troca da solução a cada 48 horas. Após o período de imersão, os scaffolds porosos com superfície bioativa foram secos ao ar e analisados utilizando-se as técnicas de Microscopia Eletrônica de Varredura MEV, Microanálise Semi-quantitativa por Energia Dispersiva de Raios X EDX, Difratometria de Raios X DRX e Espectroscopia no Infravermelho com Transformada de Fourier FTIR. Resultados e Discussões Os scaffolds poliméricos porosos obtidos apresentaram porosidade superior a 65% com a presença de poros interconectados e de diferentes tamanhos, figura 1(a), inclusive superiores a 100µm, figura 1(b), tamanho este considerado adequado para o crescimento continuado do osso no interior do implante. Pal et al. [2008] obtiveram amostras porosas de PEUAPM aplicando-se o mesmo método utilizado neste trabalho com 60 e 70% de porosidade, porém com a presença de poros isolados e de mesmos tamanhos.
(a) Figura 1: Scaffolds porosos de PEUAPM: (a) MEV 50X e (b) MEV 200X. (b) O emprego do método biomimético com solução SBF modificada para o recobrimento dos scaffolds porosos resultou na formação de recobrimento denso presente tanto na superfície como no interior dos poros, figura 2(a). Tal recobrimento foi composto por pequenas partículas esféricas, figura 2(b), de razão molar Ca/P 1,40, figura 2(c), sendo caracterizado por DRX como hidroxiapatita carbonatada deficiente em cálcio, fase esta de composição semelhante à parte mineral do tecido ósseo, figura 2(d). O espectro de FTIR, figura 2(e), confirmou o resultado, pois apresentou bandas características dos grupos PO 4 (565 cm -1 ), indicando que a substituição pelo íon CO 2-3 não foi completa, e P-OH (880 e 1020 cm -1 ), apatita carbonatada do tipo B (1412 e 1465 cm - 1 ) e da fase amorfa de fosfato de cálcio (602 cm -1 ), indicando baixa cristalinidade. As bandas em 1640 e 3500 cm -1 são referentes às moléculas de água [Silverstein, 1994; Stoch, 2000].
(a) (b) 400 (c) - hidroxiapatita def. em cálcio (JCPDS 82-1943) CB - apatita carbonatada do tipo B (JCPDS 19-272) 1,1 1,0 Intensidade 300 200 100 0 /CB /CB /CB CB CB HAD /CB CB 10 20 30 40 50 60 70 2 Theta Transmitância (%) 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 565 602 880 1020 1412 1465 1640 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Número de Onda (cm -1 ) (d) (e) Figura 2: Recobrimento bioativo dos scaffolds porosos de PEUAPM: (a) MEV 100X, (b) MEV 2000X, (c) espectro de EDX, (d) DRX e (e) espectro de FTIR. 3500 Conclusão Os scaffolds porosos bioativos de PEUAPM desenvolvidos neste trabalho podem ser considerados adequados para a utilização como biomaterial para reposição e regeneração óssea, pois apresentaram características de interconectividade e tamanho de poros considerados ideais para um crescimento continuado do osso no interior do implante, e a presença de material bioativo de composição semelhante à fase mineral presente no tecido ósseo. Agradecimentos Os autores agradecem a FAPESP (processo nº 06/60436-3) pelo suporte financeiro.
Referências Bibliográficas APARECIDA, A. H. et al. Journal of Materials Science: Materials in Medicine 2009. Disponível em: < www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19132504?dopt=abstract>. Acesso em: 27 jan. 2009. BAKER, K. C. et al. Acta Biomaterialia 2007, 3, 391. FOOK, M. V. L., Tese de Doutorado, Instituto de Química, Universidade Estadual Paulista, 2005. HOU, Q. et al. Biomaterials 2003, 24, 1937. JONES, A. C. et al. Biomaterials 2007, 28, 2491. JONES, A. C. et al. Biomaterials 2009, 30, 1440. KARAGEORGIOU, V. et al. Biomaterials 2005, 26, 5474. KNOCH, F. Von et al. Biomaterials 2005, 26, 5783. OTSUKI, B. et al. Biomaterials 2006, 27, 5892. PAL, K. et al. Journal of Porous Materials 2008, 15, 53. REGGIANI, M. et al.journal of Molecular Structure 2006, 785, 98. SAIZ, E. et al. Materials Science and Engineering C 2007, 27, 546. SILVERSTEIN, R. M, Identificação espectrométrica de compostos orgânicos, Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, 1994. STOCH, A. et al. Journal of Molecular Structure 2000, 555, 375. YANG, S-Y. et al. Biomaterial 2007, 23, 3535.