PRODUÇÃO DE BLOCOS POROSO DE BIOCERÂMICA HIDROXIAPATIA PELO METODO GEL CASTING DE ESPUMAS

Maria Beatriz Borsa, Tiago Moreno Volkmer, Luis Alberto dos Santos

Departamentos de Materiais – Escola de Engenharia – UFRGS

Biocerâmicas porosas são utilizadas para que se forneça local para o

tecido ósseo crescer e fixar o implante biologicamente. Foi utilizada

hidroxiapatita, que é uma cerâmica bioativa, permite crescimento de tecido

ósseo e revascularização da área de implante pela ligação química

estabelecida entre a fase mineral dos ossos com a hidroxiapatita sintética. O

processo gel-casting de espumas consiste na incorporação de uma fase

gasosa dispersa dentro de uma suspensão cerâmica contendo tipicamente o

pó cerâmico, água, defloculantes, ligantes e agentes de gelificação, este

fornece uma matriz altamente densificada e poros esféricos. As variáveis

estudadas foram: quantidade de sólido, velocidade de agitação e quantidade

de dispersante e temperatura de sinterização. Posteriormente os blocos obtidos

foram imersos em SBF (Simuleted Body Fluid), por períodos de tempos

crescentes até dez semanas, e logo após avaliados a sua resistência mecânica

à compressão, superfície de fratura, densidade e porosidade aparentes, fases

cristalinas e grupos químicos.

Palavras-Chaves: Biocerâmicas, hidroxiapatita, gel casting

1. Introdução

A engenharia de tecidos se apresenta como uma alternativa para

substituir tecidos ósseos infectados ou danificados. O grande desafio da

engenharia de tecidos é desenvolver um scaffold com porosidade suficiente e

com alta resistência mecânica para permitir a adesão, migração, crescimento e

proliferação celular resultando em uma boa integração com os tecidos vizinhos.

Um grande número de materiais vem sendo utilizado para fabricar scaffolds

para o osso como polímeros, biovidros e uma grande variedade de fosfatos de

cálcio[1]. Por possuir similaridade química com a fase mineral dos tecidos

ósseos, a hidroxiapatita é um dos materiais mais biocompatíveis conhecidos,

1

favorecendo o crescimento ósseo para os locais em que ela se encontra

(osteocondutor), estabelecendo ligações de natureza química entre a

hidroxiapatita e o tecido ósseo (bioativo), permitindo a proliferação de

fibroblastos, osteoblastos e outras células ósseas, sendo que as células não

distinguem entre a hidroxiapatita e a superfície óssea, o que indica a grande

similaridade química superficial. Ela, também, possui a capacidade de trocar

íons com o meio fisiológico levando ao equilíbrio entre implante e osso.[2,3] A

superfície da hidroxiapatita permite a interação de ligações do tipo dipolo,

fazendo com que moléculas de água e também, proteínas e colágeno sejam

adsorvidas na superfície induzindo assim, a regeneração tecidual[4].

A razão para a utilização de cerâmicas porosas é fornecer local para o

tecido ósseo crescer e fixar o implante biologicamente. Para o crescimento

ocorrer, o tamanho do poro deve ser grande o bastante para acomodar as

células, juntamente com o sistema de irrigação sangüínea, ficando por volta de

150-200 µm de diâmetro[5].

Existe, no entanto, alguns problemas inerentes ao uso de materiais

porosos. Em razão da comparável grande área superficial interfaciando o

tecido, a estabilidade e limite de toxidade necessárias ao material são mais

severas. Além disso, a porosidade tende a degradar as propriedades

mecânicas dos materiais. De acordo com a teoria de Griffith, os poros grandes

apresentam uma maior influencia sobre a resistência mecânica do que os

poros pequenos, de modo que a resistência mecânica decresce mais

rapidamente para maiores concentrações de macroporos do que de

microporos[6, 7].Dessa forma, considerando-se os poros como sendo os defeitos

concentradores de tensão pode-se afirmar que a tensão de ruptura é menor

para poros com maior volume. A resistência das amostras não depende

somente do volume total de poros, mas também das dimensões dos poros[8].

O processo gel casting de espumas consiste na incorporação de uma fase

gasosa dispersa dentro de uma suspensão cerâmica contendo tipicamente o

pó cerâmico, água, defloculantes, ligantes e agentes de gelificação. A

incorporação pode ser feita através de agitação da suspensão. Após a etapa

de formação de espuma o material é geleificado pela polimerização in situ de

monômeros orgânicos[9-11] e o controle do tempo de geleificação é primordial

2

para a obtenção de porosidade controlada e que permita sua reprodutibilidade.

A rápida polimerização dos monômeros imediatamente após a formação da

espuma impede o colapso desta, resultando, após secagem e sinterização em

um material poroso, com paredes altamente densificadas e poros esféricos.

A produção da espuma em uma suspensão cerâmica só é possível através

do uso de um surfactante, o qual estabiliza a interface líquido-gás[12] entre a

suspensão e as bolhas de ar incorporadas por agitação. As moléculas dos

surfactantes são compostas por uma porção polar (hidrofílica) e outra apolar

(hidrofóbica). Estas moléculas ao se posicionarem na interface líquido-gás

diminuem a tensão superficial das bolhas, tornando-as mais estáveis.O SBF é

composto por inúmeros íons e ânions, visando simular as espécies

encontradas na corrente sanguínea dos seres humanos. Tal solução é muito

importante para testar a taxa de degradação de um material quando em

contato com o organismo humano. É comum que ocorra a perda de resistência

mecânica de um material implantado quando em contato com o organismo

devido a reações químicas que ocorrem entre o material e os fluidos corpóreos.

A determinação da taxa de degradação do material é importante para descobrir

qual o tipo de aplicação que será destinada para este.

Este estudo trata sobre a produção de blocos porosos de hidroxiapatita

(scaffolds) através do método gelcasting de espumas. Os parâmetros

estudados foram o teor de sólido, o teor de surfactante e a velocidade de

agitação. A morfologia, tamanho e distribuição de tamanho dos poros foi

caracterizada utlizando-se Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV).

Difração de Raios-X e Infravermelho foram utilizados para caracterizar a

estrutura cristalina e composição química. A resistência mecânica foi medida

por meio de ensaios de compressão.

2. Materiais e Métodos

A hidroxiapatita utlizada neste trabalho foi obtida em laboratório pelo

método via-úmida[2]. A solução aquosa de monômero (pré-mix) na qual a

hidroxiapatita é suspensa é composta pelo monômero orgânico acrilamida

(C6H5NO), fornecida pela VETEC, pelo comonômero N,N’

3

metilenobisacrilamida difuncional (MBAM), pelo catalisador N,N,N’,N’-

tetrametiletilenodiamina (TEMED), os dois últimos fornecidos pela Sigma-

Aldrich Corporation e pelo dispersante de poliacrilato de amônia Disperlan L.A

(Lambra S/A). O agente surfactante utilizado foi o LUTENSOL ON 110 (Basf).

O iniciador utlizado foi o persulfato de amônia 98%+ ACS (NH4)2S2O8. Todas

as suspensões foram feitas em água destilada e deionizada.

A hidroxiapatita obtida em laboratório por via-úmida foi posteriormente

moída em álcool etílico por 24 horas para homogeneizar o tamanho das

partículas e a área superficial. Para verificar a presença de outras fases na

HAp obtida foram feitas análises de RX (Difratômetro Phillips X´Pert MPD, tubo

Cu - Kα = 1,5418 Ǻ). Os picos identificados nas análises foram confirmados

usando os arquivos padrões da Joint Committee on Powder Difraction. Com o

mesmo fim também foi utilizada a técnica de Espectroscopia por Infravermelho

(Stpectrum 1000). A análise do tamanho das partículas foi feito através de

micrografias obtidas por Microscopia Eletrônica de Varredura (Jeol 6505).

Os blocos porosos foram obtidos através do método gel casting de

espumas. Na primeira etapa pesou-se 100 gramas de hidroxiapatita para fazer

uma suspensão entre o material e uma solução aquosa de monômero,

chamada pré-mix, cuja composição encontra-se na tabela 1. À suspensão

foram adicionados teores de 0,75 à 1,25% de Lutensol® (agente surfactante)[13]

e, então, ela foi agitada a uma velocidade definida por um determinado tempo

para a formação de uma espuma cerâmica, possuindo a estrutura desejada.

Tabela 1. Percentual e função dos elementos da Pré-mix em relação a

quantidade de água destilada e deionizada

Elemento Quantidade (%) Função

Acrilamida 20 Monômero

N,N’ metilenobisacrilamida difuncional (MBAM) 0,4 Comonômero

N,N,N’,N’-tetrametiletilenodiamina (TEMED) 0,156 Catalisador

Poliacrilato de Amônia 3 Dispersante

4

O gel foi formado pela polimerização do monômero com a adição de 1%

de persulfato de amônia, que é o iniciador da reação de polimerização.

Posteriormente, o material foi vasado em um molde na forma de pequenos

cilindros cuja altura é duas vezes maior do que o diâmetro da base, os cilindros

possuem as dimensões de 8 X 16 mm. Posteriormente os cilindros foram

colocados em um dessecador por 24 horas e finalmente secos em uma estufa

a 100°C por 24 horas. Depois de secos os corpos de prova foram sinterizados

a 1180°C por uma hora em um forno (Sanchis) com rampa de aquecimento de

150°C/h.

A porosidade dos corpos porosos de HAp obtidos pelo método gel casting

foi determinada pelo método geométrico, ou seja, a massa dos cilindros era

dividido pelo volume obtido pela multiplicação de suas dimensões. Esse valor

era comparado com o valor da densidade teórica da HAp (3,156 g/cm3). Para

cada medida de porosidade foram utilizados 6 corpos de prova. O tamanho de

poros, a interconectividade entre os poros e a estrutura dos grãos foram

examinados por MEV (Jeol 6505). Pelo menos 2 amostras eram analisadas no

MEV. As cerâmicas analisadas foram revestidas com uma fina camada de

Ouro para permitir a condução de elétrons. O diâmetro e a distribuição dos

poros foi medida para cada micrografia utilizando-se o software analisador de

imagens Image Tool.

Os blocos porosos de hidroxiapatita imersos em SBF foram caracterizados

suas densidade e porosidade pelo método geométrico, microestrutura, por

microscopia eletrônica de varredura, resistência mecânica à compressão, fases

cristalinas, por difração de raios X qualitativa, análise da superfície de fratura,

por microscopia eletrônica de varredura e grupos químicos, por espectroscopia

de infravermelho com transformada de Fourier.

A resistência à compressão foi medida por ensaios de compressão com

uma máquina universal de ensaios ATS (modelo 1105 C) que realizava um

ensaio do tipo compressão. A velocidade de aproximação da travessa era de 1

mm/min. Os corpos de prova eram dimensionados na razão altura para

diâmetro de 2:1. As dimensões eram de 8 mm de diâmetro para 16 mm de

altura. Para o cálculo da resistência à compressão foram utilizados seis corpos

de prova. Os cilindros eram cobertos por uma pequena espuma nos pontos de

5

contato com a máquina de ensaios, no intuito de distribuir uniformemente a

carga. A tensão de ruptura foi calculada dividindo-se a carga final de ruptura do

corpo pela área da base desse.

3. Resultados e Discussões

Os blocos porosos de hidroxiapatita (Hap) foram produzidos variando-se

o teor de sólido (65, 68 e 70% de hidroxiapatita) e o teor do agente espumante

(0,75, 1 e 1,25% de Lutensol) em relação à massa de hidroxiapatita.

Os blocos produzidos com 68% de hidroxiapatita apresentaram a menor

densidade, logo a maior porosidade e, consequentemente a menor resistência

mecânica, quando comparados às duas outras composições testadas, como

pode ser visto na figura 1. Os blocos com 70% de Hap apesar de terem maior

resistência mecânica não apresentaram poros interconectados entre si, ao

contrário dos feitos com 65% de hidroxiapatita que apresentaram poros

esféricos e interconectados como é possível observar nas micrografias da

figura 2a.

Figura 1. Gráfico de resistência mecânica à compressão x densidade (g/cm-3)

6

Figura 2. Micrografia mostrando poros não interconectados para 70% de Hap

na figura da esquerda (aumento de 154x) e poros interconectados para 68% de

Hap na figura da direita (aumento de 144x).

De acordo com o gráfico da figura 2b, a amostra com 68% de teor de

sólido tem a menor resistência mecânica, que pode ser explicado pelo fato de

ele possuir poros com tamanho maior do que os anteriores. Nesta figura podem

ser observados poros muito grandes e bastante interconectados o que favorece

a diminuição da resistência mecânica.

Após o estudo da variação do teor de sólido foi fixado em 65% o teor de

hidroxiapatita já que esta composição apresentou a melhor relação entre

interconexão de poros e resistência mecânica. A próxima variável estudada foi

o teor de espumante presente na suspensão; foram testadas as seguintes

porcentagens em relação à massa de hidroxiapatita: 0,75 ; 1 ,00 e 1,25%.

Figura 3. Gráfico de teor de espumante x densidade

7

A menor densidade foi obtida para o teor de 1% de espumante. Para os

teores de 0,75 e 1,25% esse valor foi maior. O gráfico é semelhante ao mesmo

gráfico para o estudo do teor de sólidos. È possível ver a partir do gráfico da

figura 3 que a densidade aumenta para valores maiores que 1% de surfactante.

Tal quantidade deve estar acima do limite de solubilidade do surfactante em

uma suspensão, que é chamado de concentração micelar crítica (CMC). De

acordo com Ortega[13], acima deste ponto as moléculas de surfactante passam

a se agrupar em micelas, de modo que a porção hidrofóbica das moléculas se

orienta para o interior da estrutura, evitando o contato com a água. Assim, a

adição de quantidades superiores de surfactante não contribui efetivamente

para aumentar a quantidade e tamanho de poros. O tamanho médio de poros

foi medido e, somente as amostras com 1% de Lutensol tinham tamanho médio

de poro adequado de ~150 µm.

Uma possível explicação para a porosidade não ter sido constante para

quantidades percentuais maiores de Lutensol, já que a concentração micelar

crítica foi alcançada, e um possível colapso da estrutura devido a esse excesso

de espumante. Possuindo menos poros e estes sendo menores, a resistência

mecânica tende a aumentar.

O terceiro parâmetro a ser variado foi a velocidade de agitação do

sistema. Foram testadas as seguintes velocidades: 600; 800 e 1000 RPM. Na

velocidade de 1000 RPM a estrutura porosa colapsou antes do final da

polimerização, inviabilizando a estabilização da fase gasosa incorporada na

suspensão cerâmica.

Tabela 2. Velocidade de agitação vs. Resistência Mecânica.

Velocidade (RPM) R.M. à Compressão (MPa) Desvio Padrão

1000 - -

800 1,25 0,33

600 1,39 0,47

No estudo da imersão dos blocos porosos de hidroxiapatita em SBF, pode-

se notar no gráfico da figura 4 que mostra o número de semanas versus a

densidade que ocorre um aumento na porosidade com o aumento do tempo de

8

imersão. Porém esse aumento vai diminuindo depois de 2 semanas de

imersão. Como era de se esperar com o aumento da porosidade, ocorreu uma

diminuição na resistência mecânica. O aumento da porosidade pode ser visto

nas micrografias obtidas por microscopia eletrônica de varredura.

Figura 4. Porosidade Aparente X Número de Semanas

Figura 5. Micrografia obtida por MEV mostrando a porosidade dos blocos

porosos de hidroxiapatita em zero, duas e quatro semanas de imersão em

SBF. Aumento de 100X

A análise de infravermelho com transformada de Fourrier, mostra que

não há alteração na composição química nos blocos imersos em solução de

SBF ao longo do tempo. O que é mostrado na figura 6 e confirmado nas

análises de difração de raios-X.

9

Figura 6. Espectrogramas de infravermelho

As análises de difração de raios-X mostram que não há variação na

composição química do material. A pequena quantidade de trifosfato de cálcio

beta existente na hidroxiapatita continua presente após quatro semanas de

imersão. O que é mostrado na figura 7.

10

Figura 7. Difrações de RX dos blocos porosos imersos em SBF por zero e

quatro semanas

Olhando-se de perto a região por volta de 31° tetha pode-se ver que

ocorre uma diminuição na área do pico da semana quatro em relação ao pico

da semana quatro. Isso pode comprovar que a porosidade está aumentando

devido à retirada do trifosfato de cálcio que se encontra perto dos poros,

aumentando dessa forma a porosidade dos blocos, o que pode ser visto nas

micrografias obtidas por microscópio eletrônico de varredura (MEV) e é

mostrado na figura 5.

O aumento da porosidade com o tempo de imersão era esperado, pois a

presença da fase B-TCP na hidroxiapatita diminui a resistência desta ao meio,

pois o B-TCP possui uma maior taxa de degradação em meio fisiológico do que

a HAp. Dessa maneira era esperado que ocorresse uma diminuição na

quantidade de beta trifosfato de cálcio ao longo do tempo. Quanto mais

cristalina a hidroxiapatita, mais difícil fica para os íons entrarem na estrutura

cristalina dela, degradando-a. Dessa forma a obtenção de hidroxiapatita

cristalina é muito importante para se obter taxa de degradação baixa. Em

contrapartida, o aumento da porosidade com o tempo de imersão é bom para

permitir o crescimento de tecido ósseo no interior do material, o que melhora a

fixação do implante e com o tempo pode prover um aumento na resistência

mecânica.

4. Conclusões

Foram obtidos blocos porosos de hidroxiapatita, com potencial uso como

implantes nas áreas de ortopedia, traumatologia e odontologia, por meio do

processo gel casting de espumas, com poros esféricos interconectados e

tamanho de poro maior do que 150 µm, o que pode permitir o crescimento

ósseo e a fixação biológica do implante. A resistência mecânica das peças é

adequada para o uso como implante em locais onde a solicitação mecânica

seja baixa. Dentre os parâmetros estudados os melhores resultados foram

11

obtidos utilizando-se 65% de teor de sólido, 1% de surfactante e a velocidade

de agitação não mostrou variação significativa entre os valores estudados.

5. Referências Bibliográficas

1. Cyster, L.A.. Grant D.M.; et al The influence of dispersant concentration on the pore morphology of hydroxyapatite ceramics for bone tissue engineering

2. Aoki, H.; Science and Medical Applications of Hydroxyapatite, Takayama Press System Center Co., Inc., Tokyo, 1991.

3. LeGeros, R. Z.; Calcium Phosphates in Oral Biology and Medicine Monography in Oral Science – Vol 15, S. Karger, Switzerland, 1991.

4. Hench, L. L.; Wilson, J.; Introduction to Bioceramics. Vol.1, Word

Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 1993, p. 1-15.

5. Matsura, L. B.; Santos, L. A.; Boschi, A. O.; Formação de Poros em Hidroxiapatita através da Adição de Polímeros - V CIC UFSCar - V

Congresso de Iniciação Científica Universidade Federal de São Carlos,

São Carlos - SP, 15 a 17 de Setembro de 1997. Vol. 1 -pag. 103 [293].

6. Reed S. J.; Introduction to the Principles of Ceramic Processing .

John Wiley & Sons, Inc., 1988.

7. Kingery, W.D., Bowen HK, Uhlmann DR Elasticity, anelasticity and

strength of ceramics; In: Introduction to Ceramics. New York; Wiley;

1976

8. Huec J.C. et ali; Influence of porosity on the mechanical resistance of hydroxyapatite ceramics under compressive stress. Biomaterials 18

(1995) 113-118

9. Sepulveda, P.A, Innocentini, M.D.M, Pandolfelli; Propriedades de Hidroxiapatita porosa para aplicações biomédicas, 43° Congresso

Brasileiro de Cerâmica, 1999.

10. Sepúlveda, P.; Gelcasting Foams for Porous Ceramics The American

Ceramic Society Bulletin, 76, 10, Outubro 1997.

11. Young, A. C.; Omatete, O. O.; Janney, M. A.; Menchhofer, P. A.;

Gelcasting of Alumina, J. Am. Ceram. Soc. n. 74 v.3 p. 3349-52, 1998.

12

12. Sepulveda, P.A, Binner, J. G. P.; Processing of Cellular ceramics by Foaming and in situ polymerisation of Organic Monomers, J.Eur. Cer.

Soc., 1999.

13. Ortega, F.S, et al.; Estudo de surfactante para a produção de espumas cerâmicas pelo processo “gelcasting” 43° Congresso Brasileiro de

Cerâmica, 1999.

PRODUCTION OF POROUS BIOCERAMIC HYDROXYAPATITES BLOCKS BY GEL CASTING FOAMS METHOD

Tiago Moreno Volkmer, Maria Beatriz Borsa, Luis Alberto dos Santos

Departamentos de Materiais – Escola de Engenharia – UFRGS

Porous bioceramics are used to give supplies bone place weaveeed it to

grow and to fix the implant biologicaly. It was used hydroxyapatite, that is

bioactive ceramics, allows bone growth and revascularization of the area of

implantation for the established chemical linking enters the mineral phase of the

bones with the synthetic hydroxyapatite. The gelcasting foams process consists

in the incorporation of a dispersed gaseous phase inside a ceramic suspension

contends typically the ceramic dust, water and gelation agents, this highly

supplies to a densificated matrix and spherical pores. The studies variable had

been: amount of solid, speed of agitation and amount of dispersant. Later the

gotten blocks had been immersed in SBF (Simuleted Body Fluid), for periods of

increasing times up to ten weeks, and soon after evaluated its resistance

mechanics to the compression, apparent surface of breaking, density and

crystalline porosity, phases and chemical groups.

Key-words: Bioceramics, gelcasting foams, hydroxyapatite

13