avaliaÇÃo do tratamento de composiÇÕes a base de...

AVALIAÇÃO DO TRATAMENTO DE COMPOSIÇÕES A BASE DE CIMENTO

DE ALUMINATO DE CÁLCIO EM SOLUÇÃO DE SILICATO DE SÓDIO

P. M.S. C. Marciano Leite*, T. L. Andrade*, V. C. Pandolfelli**, I. R. Oliveira*

*Universidade do Vale do Paraíba – Univap

**Universidade Federal de São Carlos - UFSCar

Av. Shishima Hifumi 2911, São José dos Campos – SP, 12244-000

[email protected]

RESUMO

Estudos relatam aplicação dos cimentos de aluminato de cálcio (CAC) na

ortopedia para reparo de defeitos ósseos devido a sua composição e coeficiente de

expansão térmica bastante semelhante ao do osso humano. O objetivo desse

trabalho foi avaliar o comportamento de CAC e de suas composições em contato

com solução simuladora de fluido corporal (SBF) após tratamento com solução de

silicato de sódio (SS). As composições foram preparadas pela adição de aditivos,

bem como compostos como alumina, zircônia, óxido de zinco, hidroxiapatita, fosfato

tricálcico, quitosana e colágeno ao CAC. Inicialmente as amostras foram mantidas

em contato com solução SS durante 7 dias a 37oC sendo posteriormente lavadas,

secas a temperatura ambiente e mantidas em contato com água e SBF a 37oC.

Medidas de pH e concentração de íons Ca2+ foram realizadas para as amostras em

função do tempo (até 21 dias). Amostras também foram mantidas em contato com

SBF durante 21 dias em um shaker e suas superfícies após secagem ao ambiente

foram avaliadas por MEV e espectroscopia Raman Confocal. A composição CAC-

fosfato apresentou maior recobrimento da superfície com fase rica em fosfato de

cálcio.

Palavras-chave: cimento aluminoso, bioatividade, silicato de sódio, SBF.

60º Congresso Brasileiro de Cerâmica15 a 18 de maio de 2016, Águas de Lindóia, SP

1744

INTRODUÇÃO

O cimento de aluminato de cálcio (CAC) é um biomaterial que vem sendo

bastante estudado na área de ortopedia para a reconstrução óssea. Este cimento

possui a vantagem de não necessitar de campo seco para sua aplicação, apresenta

baixa temperatura durante a pega e um tempo de reação que pode ser controlado

pela adição de aditivos específicos(1,2).

O CAC apresenta-se como um material bioativo em um ambiente biológico

simulado(1). Quando um material bioativo é colocado em contato com SBF, íons Ca2+

e OH- são liberados acentuando a supersaturação da solução o que induz a

precipitação de hidroxiapatita sobre a superfície do material. Um material bioativo é

definido como aquele que promove uma resposta específica na interface do material

o que resulta na formação de uma ligação entre o tecido e o material. Estes

materiais apresentam a capacidade de criar uma ligação química interfacial com o

tecido vivo, uma ligação que é frequentemente igualmente tão forte ou mais forte do

que o osso(3).

A solução SBF é uma solução de sais inorgânicos compostos para imitar a

composição e concentração iônica do plasma sanguíneo. A determinação da

bioatividade in vitro de um material é o primeiro passo na determinação se um

material é ou não bioativo in vivo, isto é, quando implantado no corpo(4).

O mecanismo geral de como um material específico se liga aos tecidos vivos

varia com os materiais bioativos com, entretanto, uma completa similaridade entre

todos eles. Uma camada de hidroxiapatita (HA) biologicamente ativa é formada na

superfície quando o material é introduzido no corpo(4,5). Assim, o estudo in vitro da

formação de apatita na superfície em SBF tem sido útil como o primeiro teste de

bioatividade.

A maior importância da HA nesta área de bioatividade é devido à equivalência

biológica dos constituintes inorgânicos do osso. Uma camada de HA formada sobre

o material é reconhecida pelo corpo e não ira ser recoberto por uma camada fibrosa.

A camada de cristais de apatita é então capaz de se ligar ao tecido duro fornecendo

bioatividade ao material(6-9).

O tratamento da superfície das amostras com silicato de sódio (SS) visa criar

pontes de silício que auxiliam a formação de fases de fosfato de cálcio, favorecendo

a nucleação de sítios que atraem os íons cálcio do meio(10).


1745

Sendo assim, neste trabalho diferentes composições a base de cimento de

aluminato de cálcio foram previamente tratadas em solução de silicato de sódio e

posteriormente avaliadas quanto à sua bioatividade quando colocadas em SBF.

MATERIAIS E MÉTODOS

Os materiais utilizados nesta etapa do trabalho foram: CAC (cimento de

aluminato de cálcio, Kerneos Aluminates – France), CACH produzido pela mistura à

seco de CAC com dispersante poliglicol (Bayer, 0,6%-p) e plastificante CaCl2.2H2O

(Labsynth, 2,8%-p) em moinho de bolas durante 1 hora; e os compostos: (1) alumina

calcinada (CT3000SG, Almatis), (2) zircônia (CC-10, Saint-Gobain), (3) óxido de

zinco (Synth), (4) hidroxiapatita (Sigma-Aldrich 21223), (5) fosfato tricálcico (Cadisa),

(6) quitosana (Polymar) e (7) colágeno bovino (tipo I, JBS).

Os compostos foram adicionados ao CACH em teores 4%-p, seguido de

homogeneização durante 1 hora com auxílio de moinho de bolas. Após a

homogeneização, as misturas foram usadas na preparação de suspensões aquosas

(80%-p de sólidos), com auxílio de agitador mecânico e usadas na preparação de

amostras (11 mm de diâmetro x 4 mm de altura) e (10 mm de diâmetro x 1 mm de

altura). Apenas para colágeno e quitosana foi adicionado 1%-p e utilizado

suspensões com 73 e 80%-p de sólidos, respectivamente.

Após a preparação, as amostras foram mantidas em estufa a 37 oC durante 24

horas em ambiente saturado. Após este tempo, as amostras foram desmoldadas e

mantidas a 37oC em ambiente saturado durante 3 dias. Após esse período foram

colocadas em contato com 33 ml de solução de silicato de sódio (SS, Na2O3Si,

Dinâmica) e armazenadas em estufa a 37 oC durante 7 dias. Após esse tratamento

as amostras foram lavadas com água destilada/deionizada, secas a temperatura

ambiente.

Amostras (11 mm x 4 mm) foram adicionadas a potes plásticos contendo 33 ml

de água ou solução simuladora de fluido corporal (SBF) e armazenadas em estufa a

37 oC. Medidas de pH e concentração de íons Ca2+ foram realizadas para as

amostras em função do tempo (até 21 dias). Foram utilizados um equipamento

medidor de pH (MA 522/E, Marconi) e um medidor multiparâmetros com eletrodo

seletivo para íons Ca2+ (série 930, Aprolab).


1746

A solução SBF foi preparada como apresentado na Tabela 1. A solução foi

preparada utilizando-se uma quantidade dos reagentes em uma proporção 1,5 vezes

superior (SBF 1,5) a concentração de íons (mM) inorgânicos presentes no plasma

humano a fim de acelerar a formação de apatita.

Tabela 1: Reagentes usados na preparação de um litro de solução de fluido corporal

simulado.

Reagentes SBF

água 400 mL

NaCl 11.992 g

NaHCO3 0.529 g

KCl 0.335 g

K2HPO4 0.261 g

MgCl2.6H2O 0.458 g

HCl 0.1M 15 ml

CaCl2.2H2O 0.551 g

Na2SO4 0.107 g

(CH2OH)3CNH2

0.05M

Teor necessário para ajuste pH= 7.25

HCl 0.1M Teor necessário para ajuste pH= 7.25

Amostras (10 mm x 1 mm) foram adicionadas a potes plásticos contendo 19 ml

de solução simuladora de fluido corporal (SBF) mantendo-se uma razão área

superficial/volume de 0,1 cm-1, durante 21 dias sob agitação a 37oC usando um

shaker MA420. Após esse período, as amostras foram levemente lavadas com água

para remover a solução e posteriormente secas à temperatura ambiente.

A superfície das amostras foi caracterizada usando as técnicas de microscopia

eletrônica de varredura (MEV) a fim de avaliar a interação do material com as

soluções de fluido corporal simulado.

A fim de caracterizar as fases formadas na superfície das amostras após

contato com SBF/SS todas as amostras usadas foram avaliadas usando a técnica

de espectroscopia Raman. As análises foram realizadas utilizando um sistema de

diagnóstico Rivers (modelo 3510) acoplado a um laser com fonte de excitação de


1747

785 nm. Analisou-se a impressão digital espectral (400-1200 cm-1) com tempo de

exposição de 5 segundos e 3 acumulações. Os espectros foram obtidos com o foco

apenas na superfície das amostras.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Os resultados das medidas de pH e concentração de íons cálcio em água e em

SBF após tratamento com solução de silicato de sódio (SS) são apresentados nas

Figuras 1 e 2.

Figura 1: pH em função do tempo para água e solução SBF em contato com

amostras após tratamento com silicato de sódio (SS).


1748

Figura 2: Concentração de íons cálcio para água e solução SBF em contato com

amostras após tratamento com silicato de sódio (SS).

O aumento do pH da solução de SBF após contato com um material bioativo

promove a precipitação de apatita na superfície do material. As reações superficiais

que ocorrem durante o teste in vitro (contato do material com a solução SBF)

também podem ser acompanhadas por meio das alterações da concentração do íon

Ca2+ presente na solução SBF. A análise química quantitativa do íon cálcio, em

função do tempo de ensaio, permite estabelecer uma relação com os estágios de

formação da camada de fosfato de cálcio(11).

Quando um material bioativo é colocado em contato com SBF, inicialmente

ocorre um aumento da concentração de íons cálcio em SBF com a migração desses

íons da amostra para a solução. Posteriormente ocorre uma queda da concentração


1749

de íons cálcio com a migração desses e do PO4-3 a partir da solução para a

superfície do material formando a camada de fosfato de cálcio(11,12).

Nas Figuras 1 e 2 observa-se o aumento do pH e da concentração de íons

cálcio quando mantidas as amostras em contato com água. Por outro lado, quando

em contato com SBF observa-se menor aumento do pH do meio devido a solução

SBF apresentar entre seus constituintes o tampão tris, (CH2OH)3CNH2. Também se

observa que ocorre o decréscimo na concentração de íons cálcio em SBF quando

em contato com as amostras, indicando a formação de apatita na superfície das

amostras.

Os resultados obtidos por microscopia eletrônica de varredura (MEV), a fim de

avaliar a interação do material com as soluções de fluido corporal simulado, são

apresentados na Figura 3.

Observa-se que as amostras avaliadas apresentaram bioatividade verificada

por meio da precipitação de fases (apatitas) na superfície das amostras. Isso esta de

acordo com o comportamento verificado da concentração de cálcio em SBF em

função do tempo. Com a precipitação de apatitas, a concentração de íons cálcio no

meio SBF diminuiu.

A amostra de fosfato de cálcio apresentou maior precipitação após tratamento

com SS.


1750

Figura 3: Microscopia eletrônica de varredura para amostras após contato com SS

durante 7 dias e SBF durante 21 dias.

Na espectroscopia Raman um feixe de radiação laser (monocromática),

portanto de baixa potência é usado para iluminar pequenas áreas do objeto de

interesse e ao incidir sobre a área definida, é espalhado em todas as direções,

sendo que uma pequena parcela dessa radiação é espalhada inelasticamente, isto

é, com frequência (ou comprimento de onda) diferente da incidente (E = hν ou E =

h.c.λ-1).

A diferença de energia entre a radiação incidente e a espalhada corresponde à

energia com que átomos presentes na área estudada estão vibrando e essa

frequência de vibração permite descobrir como os átomos estão ligados.

O gráfico que representa a intensidade da radiação espalhada em função de

sua energia (número de onda, cm-1) é chamado de espectro Raman. Cada espécie


1751

química fornece um espectro que é como sua impressão digital permitindo sua

identificação inequívoca.

Os espectros obtidos para as amostras de CACH contendo diferentes

compostos após tratamento com SBF/SS são apresentados na Figura 4. Após

tratamento com SS/SBF, é verificado pico característico do fosfato (~ 960 cm-1) mais

intenso para as amostras contendo fosfato concordando com os resultados do MEV.

Na região entre 900 e 1.100 cm-1 é esperado a contribuição dos grupos

funcionais PO43- e CO3

2- da hidroxiapatita(13,14). A presença da assinatura Raman em

960 cm-1 correspondente ao grupo fosfato confirma que sobre as superfícies das

amostras nucleou hidroxiapatita após a imersão em SBF.

A assinatura Raman típica da HA cristalina é um pico estreito em 960 cm-1

(13,15,16). O que não ocorre nos espectros das amostras que passaram pelos ensaios

de bioatividade. Estes dados permitem inferir que o grau de cristalinidade da HA

obtida nos ensaios de SBF/SS é baixo, pois os modos vibração tem ampla dispersão

nos seus valores.

Figura 4: Espectros Raman para amostras após contato com SS durante 7 dias e

SBF durante 21 dias.

CONCLUSÕES

A composição CACH-fosfato apresenta maior bioatividade quando comparado

aos outros compostos adicionados ao cimento de aluminato de cálcio como alumina,

zircônia, óxido de zinco, hidroxiapatita, quitosana e colágeno, verificada por meio da

precipitação de fases (apatitas) na superfície das amostras. Isso esta de acordo com


1752

o comportamento verificado da concentração de cálcio em SBF em função do

tempo. Com a precipitação de apatitas, a concentração de íons cálcio no meio SBF

diminui e ocorre também aumento do pH.

Após tratamento com SS/SBF, é verificado pico característico do fosfato (~ 960

cm-1) mais intenso para a amostra CACH-fosfato concordando com os resultados do

MEV. A presença da assinatura Raman em 960 cm-1 correspondente ao grupo

fosfato confirma que sobre a superfície da amostra nucleou hidroxiapatita após a

imersão em SBF.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a Fapesp (2013/22502-8 e 2014/08988-8) e CNPq pelo

suporte financeiro.

REFERÊNCIAS

(1) OLIVEIRA, I.R.; PANDOLFELLI, V.C.; JACOBOVITZ, M. Chemical, physical and

mechanical properties of a novel calcium aluminate endodontic cement. Int Endontic

J. v. 43, p.1069-1076, 2010.

(2) PARKER, K.M; SHARP, J.H; Refractory calcium aluminate cements. British

Ceramic Transitions Journal. v. 81, p. 35-42, 1982.

(3) HENCH, LL., SPLINTER, RJ.; ALLEN WC AND GREEN TK. Bonding

mechanisms at the interface of ceramic prosthetic materials. Journal of Biomedical

Materials Research, 5(6): p. 117-41 1972.

(4) CAO, W AND HENCH, L.L. Bioactive materials. Ceramics International, 22(6): p.

493-507, 1996.

(5) KOKUBO, T. Bioactive Glass-Ceramics - Properties and Applications.

Biomaterials, 12(2): p. 155-163 1991.

(6) RIGO, E. C. S.; BOSCHI, A. O.; YOSHIMOTO, M. Evaluation in vitro and in vivo

of biomimetic hydroxypaptite coated on titanium dental implants. Materials Sience

and Engineering, v. 24, p. 647-651, 2004.

(7) SURESH, K. G., GIRIJA, E. K., THAMIZHAVEL, A., YOKOGAWA, Y., KALKURA,

S. N. Synthesis and characterization of bioactive hydroxyapatite–calcite


1753

nanocomposite for biomedical applications. Journal of Colloid and Interface Science,

v. 349, p. 56–62, 2010.

(8) WU, C., XIAO. Y. Evaluation of the in vitro bioactivity of bioceramics. Bone and

Tissue Regeneration Insights, v. 2, p. 25-29, 2009.

(9) SARKAR, N. K., CAICEDO, R., RITWIK, P., MOISEYEVA, R., KAWASHIMA, I.

Physicochemical basis of the biologic properties of mineral trioxide aggregate.

Journal of Endodontics, v. 31, p. 97-100, 2005.

(10) SILVA, C. C. G.; RIGO, E. C. S.; MARCHI, J.; BRESSIANI, A. H. A.;

BRESSIANI, J. C. Hydroxyapatite coating on silicon nitride surfaces using the

biomimetic method. Materials Research, v. 11, p. 47-50, 2008.

(11) SILVA JUNIOR, P. E.,ORÉFICE, R. L. Compósitos bioativos obtidos a partir da

inserção de vidro bioativo em matriz de poli(metacrilato de metila). Polímeros:

Ciência e Tecnologia, v. 11, p. 109-115, 2001.

(12) KHORAMI, M., HESARAKI, S., BEHNAMGHADER, A., NAZARIAN, H.,

SHAHRABI, S. In vitro bioactivity and biocompatibility of lithium substituted 45S5

bioglass. Materials Science and Engineering C, v. 31, p. 1584–1592, 2011.

(13) PENEL, G.; LEROY, G.; REY, C.; et al. MicroRaman spectral study of the PO4

and CO3 vibrational modes in synthetic and biological apatites. Calcif Tissue Int, v.

63, p. 475–481, 1998.

(14) MARKOVIÉ, S.; VESELINOVIÉ, L.; LUKIÉ, M. J.; et al. Synthetical bone-like and

biological hydroxyapatites: a comparative study of crystal structure and morphology.

Biomed. Mater., v. 6, 2011.

(15) PUCÁET, E.; REYNARD, B. B.; LÉCUYERA, C. Can crystallinity be used to

determine the degree of chemical alteration of biogenic apatites? Chemical Geology,

v. 205, p. 83– 9, 2004.

(16) AWONUSI, A., MORRIS, M. D., TECKLENBURG, M. M. J. Carbonate

assignment and calibration in the Raman spectrum of apatite. Calcified tissue

international, v. 81, p. 46–52, 2007.


1754

ABSTRACT

EVALUATION OF TREATMENT OF ALUMINATE CEMENT COMPOSITIONS

BASED ON CALCIUM IN SOLUTION OF SODIUM SILICATE

Studies report application of calcium aluminate cement (CAC) in orthopedics

to repair bone defects due to its composition and thermal expansion coefficient,

which is very similar to human bone. The objective of this study was to evaluate the

behavior of CAC and its compositions in contact with solution of simulated body fluid

(SBF) after treatment with sodium silicate solution (SS). The compositions were

prepared by adding additives and compounds such as alumina, zirconia, zinc oxide,

hydroxyapatite, tricalcium phosphate, chitosan, and collagen to CAC. Initially, the

samples were kept in contact with SS solution for 7 days at 37 °C and subsequently

washed, dried at room temperature, and kept in contact with water and PBS at 37 °C.

pH and concentration of Ca2+ ions were measured for the samples as a function of

time (21 days). Samples were also kept in contact with SBF for 21 days in a shaker

and their surfaces after drying were evaluated by SEM and Raman Confocal

spectroscopy. CAC-phosphate composition showed greater surface coverage with

phase rich in calcium phosphates.

Key-words: calcium aluminate cement, bioactivity, SBF, sodium silicate.


1755

avaliaÇÃo do tratamento de composiÇÕes a base de...

Documents