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 CaCl2, 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.

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

(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 250000 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

H2O TEOS TEP CaCl2 HF

TEOS-TEP 12,0000 1.0000 0,13167 - -

TEOS-TEP-CaCl2 12,0000 1,0000 0,13167 0,60939 -

TEOS-TEP-CaCl2-HF 12,0000 1.0000 0,13167 0,60939 0,21537

TEOS-TEP-HF 12,0000 1.0000 0,13167 - 0,21537

Em algumas soluções, onde indicado na tabela, foi utilizado CaCl2

monohidratado e/ou solução de HF. A razão molar de H2O/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 90,00o com passo

igual a 0,06o por meio do Difratômetro Shimadzu XRD 7000.

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 400-4000cm-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

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-CaCl2/PAA (figura 2b) apresentaram aspecto similar

aos das amostras TEOS-TEP/PAA, sendo que nas amostras preparadas com adição

de CaCl2, foi observada menor contração na secagem, resultando em fragmentos

ocupando maior área da base do recipiente, que as preparadas sem CaCl2.

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 CaCl2); (c) - (TEOS-TEP-HF) e (d) - (TEOS-TEP CaCl2-HF)

A figura 2d refere-se à amostra TEOS-TEP-CaCl2-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

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 2m

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.

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-CaCl2/PAA.

Nas figuras 4a e 4b nota-se padrão com partículas menos dispersas e aglomerados

de esferas menos definidas que na amostra sem CaCl2, estes circundando algumas

A

B

D

C

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.

Figura 4 - Imagem de MEV de híbrido TEOS-TEP-CaCl2 / 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.

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.

A B

A B

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-CaCl2-HF/PAA.

Figura 6– Imagem de MEV de híbridos TEOS-TEP-CaCl2-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

A B

C D

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).

Figura 7 - Espectros de infravermelho de híbridos (a) TEOS-TEP/PAA; (b) TEOS-

TEP-HF/PAA (c) TEOS-TEP-CaCl2/PAA e (d) TEOS-TEP-CaCl2-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-CaCl2/PAA e TEOS-TEP-CaCl2-HF/PAA. Os resultados

mostram o aparecimento da banda de alta intensidade na região entre 3400-

4000 3500 3000 1500 1000 500

0

(d)

(c)

(b)

( COO-)

1560

(C=O ligada

ao Silanol)

1700

(C=O ligada

à Carboxila)

1640

(-OH)

(Si-OH)

Abso

rbâ

ncia

(a

.u.)

Número de Onda (cm-1)

BTEOSTEP

F

E

J

(Si-O-Si)

(Si-O-Si)

1073 e 793

(CH)

(OH)

1465-1420

(a)

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-1associado 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°.

Figura 8- Difratograma de amostra de 75/25 p/p (a) TEOS-TEP /PAA; (b) TEOS-TEP-CaCl2 /PAA; (c) TEOS-TEP-HF /PAA; (d) TEOS-TEP- CaCl2-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.

A B C DD

Os gráficos representados nas figuras 8b e 8d mostram difratogramas dos

híbrido TEOS-TEP-CaCl2/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 CaCl2, 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/CaCl2-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

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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 pH-

modulated for controlling and obtaining appropriate structure in treating bone defects.

Keywords: bone graft, porous matrix, bioactive glass, PAA