of 227 /227
Universidade de Aveiro 2012 Departamento de Engenharia Mecânica Gil Alberto Batista Gonçalves NANOCOMPÓSITOS DE PMMA/HA/GRAFENO PARA APLICAÇÕES BIOMÉDICAS

Gil Alberto Batista NANOCOMPÓSITOS DE PMMA… · Universidade de Aveiro 2012 Departamento de Engenharia Mecânica Gil Alberto Batista Gonçalves NANOCOMPÓSITOS DE PMMA/HA/GRAFENO

  • Author
    ngonga

  • View
    214

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Gil Alberto Batista NANOCOMPÓSITOS DE PMMA… · Universidade de Aveiro 2012 Departamento de...

Universidade de Aveiro

2012

Departamento de Engenharia Mecnica

Gil Alberto Batista Gonalves

NANOCOMPSITOS DE PMMA/HA/GRAFENO PARA APLICAES BIOMDICAS

Universidade de Aveiro

2012

Departamento de Engenharia Mecnica

Gil Alberto Batista Gonalves

NANOCOMPSITOS DE PMMA/HA/GRAFENO PARA APLICAES BIOMDICAS

Tese apresentada Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessrios obteno do grau de Doutor em Engenharia Mecnica, realizada sob a orientao cientfica da Doutora Paula Alexandrina de Aguiar Pereira Marques, Equiparada a Investigador Auxiliar do Departamento de Engenharia Mecnica da Universidade de Aveiro e do Professor Doutor Jos Joaquim de Almeida Grcio Professor Catedrtico do Departamento de Engenharia Mecnica da Universidade de Aveiro

Apoio financeiro do INLPortugal/Spain International Nanotechnology Laboratory

o jri

presidente Prof. Doutor Joo Lemos Pinto professor catedrtico da Universidade de Aveiro

Prof. Doutor Antnio Torres Marques professor catedrtico da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Prof. Doutor Jos Joaquim de Almeida Grcio professor catedrtico da Universidade de Aveiro

Prof. Doutora Maria Helena Figueira Vaz Fernandes professora associada da Universidade de Aveiro

Doutora Maria Teresa Neves Petersen investigadora coordenadora do Instituto Ibrico de Nanotecnologia (INL)

Doutora Mercedes Vila investigadora principal da Faculdade de Farmcia da Universidade Complutense de Madrid

Doutora Paula Alexandrina de Aguiar Pereira Marques investigadora auxiliar da Universidade de Aveiro

agradecimentos

Em primeiro lugar, o meu sincero agradecimento aos meus orientadores, Doutora Paula Marques e o Professor Jos Grcio, pela orientao cientfica, pelo seu apoio e disponibilidade constantes durante todo o projeto. Queria tambm agradecer pela relao de amizade que foi desenvolvida durante este perodo. E claro gostaria tambm de salientar o importante contributo no meu desenvolvimento como investigador Ao Doutor Manoj Singh, pelos importantes conhecimentos que me transmitiu em especial na rea dos materiais de carbono. Ao Doutor Duncan Fagg pela contribuio no aperfeioamento da lngua inglesa. Prof Nazanin Emani pela realizao dos testes de XPS e pela experiencia na Lulea University of Technology (Sucia). Doutora Mercedes pela possibilidade da realizao dos estudos celulares e discusses em torno da funcionalizao e estrutura dos grafenos. Aos meus colegas de grupo, Sandra e Nuno, e amigos do Departamento de Engenharia Mecnica, Tnia Barbosa, Guilhermina, Evelina, Z Augusto, Vtor Neto, Joana Madaleno, Ricardo, Eng. Festas, Carla e Jos Torre agradeo a ajuda na realizao de alguns ensaios laboratoriais, discusso de resultados e o contnuo apoio anmico. Aos Docentes do Grupo dos Materiais Macromoleculares e Lenhocelulsicos, Prof. Alessandro Gandini, Prof. Dimitry Evtyugin e Prof. Ana Barros na importante discusso de resultados obtidos e sugestes apresentadas. Aos meus colegas/amigos de todo um percurso acadmico que j se estende por vrios anos, Ricardo, Carlos, Bruno Galinho, Rui Domingues, Rui Magueta pela amizade e convvio. Ao INL pelo suporte financeiro para a realizao do meu Doutoramento. A toda a minha famlia, em especial Magna e Filipa, no pelo apoio cientifico claro, mas por tudo o resto

palavras-chave

Nanocompsitos, Cimentos sseos, Polimetilmetacrilato, Hidroxiapatite, Nanotubos de Carbono, Grafeno, e xido de Grafeno.

resumo

Os cimentos sseos base de PMMA para aplicaes em artroplastia da anca apresentam como grande limitao o facto do seu constituinte principal ser um elemento bioinerte o que leva falta de integrao entre as interfaces cimento sseo/tecido sseo, comprometendo assim o desempenho mecnico da prtese ortopdica ao longo do tempo. Esta dissertao tem como objetivo principal a preparao de novas formulaes de cimentos sseos com a capacidade de estabelecer interaes com os tecidos vivos circundantes. De modo a melhorar a bioatividade do sistema e facilitar a sua osseointegrao, os cimentos sseos comerciais foram reforados com cargas significativas de HA. No entanto o recurso a elevadas cargas de HA (~60% m/m) no cimento sseo promove debilidades do ponto de vista estrutural, levando a uma baixa resistncia mecnica do material final. No sentido de ultrapassar esta limitao, foram inseridas nanoestruturas de carbono (GO ou CNTs) em baixas percentagens na matriz polimrica por forma a maximizar a sua performance mecnica atravs da perfeita integrao de todos os componentes. A primeira fase deste trabalho consistiu no desenvolvimento de metodologias que permitissem a sntese de GO atravs da exfoliao qumica da grafite em soluo aquosa. Os resultados obtidos demonstraram a obteno de folhas de GO em larga escala e com nmero de camadas uniforme. A funcionalizao orgnica superficial via ATRP do GO obtido, com cadeias de PMMA possibilitou o desenvolvimento de novos materiais nanocompsitos, no entanto alguns fatores de natureza tecnolgica inviabilizaram o seu uso como agente de reforo na matriz idealizada. O desenvolvimento de novas formulaes de cimentos sseos consistiu numa matriz de PMMA/HA (1:2 (m/m)) reforada com pequenas percentagens de GO ou CNTs (0,01, 0,1, 0,5 e 1,0% m/m). A sntese destes materiais nanocompsitos resultou da combinao de diversas tcnicas: ultrassons, granulao por congelamento e liofilizao. A anlise estrutural dos nanocompsitos obtidos demonstrou a eficcia da metodologia desenvolvida na homogeneizao de todos os elementos do sistema. Os estudos desenvolvidos aps a conformao e caracterizao estrutural dos novos materiais nanocompsitos permitiram verificar que as nanoestruturas de carbono apresentavam efeitos adversos na polimerizao via radicalar do PMMA. A anlise da frao orgnica permitiu verificar a presena de espcies oligomricas o que reduziu significativamente o comportamento mecnico dos nanocompsitos. Atravs do estudo do aumento da concentrao das espcies radicalares iniciais foi possvel suplantar este problema e tirar o mximo rendimento dos agentes de reforo, tendo-se destacado os nanocompsitos reforados com GO.

resumo (cont.)

A validao do ponto de vista mecnico das novas formulaes de cimentos sseos recaiu sobre o procedimento descrito na norma europeia ISO 5833 de 2002 Implantes para cirurgia cimentos acrlicos, tendo sido realizados os testes de compresso e de flexo.

A avaliao biolgica do comportamento dos cimentos sseos assentou em

duas abordagens complementares: estudos de mineralizao em SBF e

estudos de biocompatibilidade em meios celulares. Aps a incubao das

amostras em SBF ficou demonstrada a excelente capacidade para

promoverem a integrao de uma camada apattica. Atravs de estudos

celulares com Fibroblastos L929 e Osteoblastos Saos-2, nos quais foram

avaliados a proliferao celular, viabilidade celular, espcies reativas de

oxignio, apoptose e morfologia celular, foi possvel verificar bons nveis de

biocompatibilidade para os materiais devolvidos.

keywords

Nanocomposites, Bone Cements, Polimetilmetacrilate, Hydroxyapatite, Carbon Nanotubes, Graphene and Graphene Oxide.

abstract

The PMMA based bone cements used for application in hip replacement surgery presents a huge limitation because its principal component is bioinert, which causes lack of integration between cement/bone tissue interfaces, thus compromising the mechanical performance of the orthopedic prosthesis over time. The main objective of this work is the preparation of new bone cements formulations with the ability to establish interactions with the surrounding living tissue. In order to improve the bioactivity of the system and to enable osseointegration, commercial bone cement has been reinforced with significant loads of HA. However the use of high loads of HA (~ 60% wt/wt) promotes bone cement weaknesses from the structural point of view, leading to low mechanical strength of the final material. To overcome this limitation, small percentages of carbon nanostructures were added (GO or CNTs) to the polymer matrix in order to maximize its mechanical performance through seamless integration of all the components. The first part of this work was dedicated to the development of an experimental methodology for the synthesis of GO through the chemical exfoliation of graphite in aqueous solution. Good quality GO nanosheets were produced in large scale and with uniform number of layers. The organic surface functionalization of GO with PMMA chains via ATRP was further investigated allowing the development of new nanocomposite materials; however some technological factors hampered its use as a reinforcing agent in the idealized matrix. The development of new formulations of bone cements consisted in the preparation of a matrix of PMMA/HA (1:2 (wt/wt)) reinforced with small percentages of GO or CNTs (0.01, 0.1, 0.5 and 1.0% wt/wt). The experimental preparation of such nanocomposite materials resulted from the combination of several techniques: ultra-sonication, freeze granulation and freeze-drying. Structural analysis of the nanocomposites demonstrated the efficacy of the developed methodology in the homogenization of all the constituents of the system. The structural characterization performed after bone cement specimens shape pointed out that the carbon nanostructures presence caused adverse effects on the radical polymerization of PMMA. The analysis of the organic fraction showed the presence of oligomeric species which significantly reduced the mechanical behavior of the nanocomposites. To overcome this problem and get the maximum yield of the reinforcing agents presence, the rational increase of the initial radical species concentration in the mixture was investigated. This approach was well succeed having been highlighted the nanocomposites reinforced with GO.

Abstract (cont.)

The validation of the mechanical standpoint of the optimized new bone cements formulations followed the procedure described in European Standard ISO 5833 2002 - Implants for surgery - acrylic resin cements, having been performed the compression and bending tests. The evaluation of the biological behavior of bone cements relied on two complementary approaches: mineralization studies in SBF medium and biocompatibility studies in cellular medium. After samples incubation in SBF solution the excellent ability of the new cements to promote the integration of new calcium phosphate layer was demonstrated. Cell culture studies with fibroblasts L929 and osteoblasts Saos-2, where cell proliferation, cell viability, reactive oxygen species, apoptosis and cell morphology were evaluated, showed high levels of biocompatibility for the developed materials.

ix

ndice geral

CAPTULO I - INTRODUO GERAL ....................................................................................... 1

1.1 ENQUADRAMENTO ........................................................................................................ 4

1.2 REVISO BIBLIOGRFICA ............................................................................................... 5

1.2.1 Funo biolgica do osso ................................................................................. 5

1.2.1.1 Estrutura do osso ....................................................................................... 5

1.2.2 Biomateriais ...................................................................................................... 8

1.2.2.1 Integrao ssea de biomateriais ..............................................................11

1.2.3 Cimentos sseos base de PMMA .................................................................12

1.2.3.1 Composio dos cimentos sseos ............................................................13

1.2.3.2 Preparao dos cimentos sseos ..............................................................14

1.2.3.3 Reao de polimerizao ..........................................................................15

1.2.3.4 Limitaes dos cimentos sseos ...............................................................17

1.2.3.5 Novas formulaes de cimentos sseos ....................................................19

1.2.4 Nanoestruturas de carbono ..............................................................................20

1.2.4.1 Grafeno .....................................................................................................22

1.2.4.1.1 Sntese de grafeno ..............................................................................22

1.2.4.1.2 Sntese de xido de grafeno ...............................................................25

1.2.4.1.2.1 Estrutura qumica do xido de grafeno .........................................28

1.2.4.1.3 Reduo do xido de grafeno .............................................................30

1.2.4.1.3.1 Reduo qumica..........................................................................31

1.2.4.1.3.2 Reduo trmica ..........................................................................34

1.2.4.1.3.3 Reduo eletroqumica .................................................................38

1.2.4.1.3.4 Reduo por combinao de diferentes metodologias .................40

1.2.4.1.4 Funcionalizao dos grafenos .............................................................41

1.2.4.1.4.1 Funcionalizao orgnica dos grafenos ........................................42

1.2.4.1.4.1.1 Funcionalizao orgnica covalente ......................................42

1.2.4.1.4.1.2 Funcionalizao orgnica no-covalente ...............................47

1.2.5 Nanocompsitos ..............................................................................................48

1.2.5.1 Nanocompsitos polimricos .....................................................................50

1.2.5.1.1 Nanocompsitos de PMMA para cimentos sseos .............................53

x

1.3 OBJETIVOS ................................................................................................................. 56

1.4 REFERNCIAS ............................................................................................................. 58

CAPTULO II - SNTESE, CARATERIZAO E MODIFICAO SUPERFICIAL DO XIDO DE GRAFENO

........................................................................................................................................ 77

2.1 INTRODUO............................................................................................................... 79

2.2 ESFOLIAO QUMICA DA GRAFITE PARA A OBTENO DE XIDO DE GRAFENO ................. 82

2.3 MODIFICAO SUPERFICIAL DO XIDO DE GRAFENO COM PMMA VIA ATRP .................... 91

2.3.1 Filmes de PMMA reforados com xido de grafeno modificado ...................... 96

2.4 CONCLUSO ............................................................................................................. 103

2.5 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................... 104

2.5.1 Sntese de xido de grafeno .......................................................................... 104

2.5.1.1 Reduo trmica do xido de grafeno ..................................................... 104

2.5.1.2 Reduo qumica do xido de grafeno atravs de hidrazina ................... 104

2.5.2 Modificao superficial do xido de grafeno com cadeias de PMMA via ATRP

............................................................................................................................... 105

2.5.3 Preparao dos filmes de PMMA reforados com grafenos .......................... 105

2.6 CARACTERIZAO ..................................................................................................... 106

2.7 REFERNCIAS ........................................................................................................... 107

CAPTULO III - CIMENTOS SSEOS BASE DE PMMA/HA REFORADOS COM

NANOESTRUTURAS DE CARBONO ...................................................................................... 115

3.1 INTRODUO............................................................................................................. 118

3.2 CARACTERIZAO DAS NANOESTRUTURAS DE CARBONO ............................................. 120

3.3 SNTESE E CARACTERIZAO DE NANOCOMPSITOS PMMA/HA REFORADOS COM

NANOESTRUTURAS DE CARBONO ...................................................................................... 123

3.3.1 Sntese da componente solida do cimento sseo .......................................... 123

3.3.2 Caracterizao mecnica dos novos cimentos sseos .................................. 124

3.3.3 Efeito das nanoestruturas de carbono na polimerizao radicalar do PMMA. 129

3.3.4 Caracterizao das cadeias polimricas de PMMA aps polimerizao radicalar

............................................................................................................................... 132

xi

3.4 NANOCOMPSITOS DE PMMA/HA REFORADOS COM NANOESTRUTURAS DE CARBONO

COM INCREMENTO DE AGENTES RADICALARES ................................................................... 136

3.4.1 Controlo da concentrao de agentes radicalares ......................................... 136

3.4.2 Efeito do aumento da concentrao de radicais nos nanocompsitos com GO

............................................................................................................................... 140

3.5 CARACTERIZAO DOS NANOCOMPSITOS 0.1CNT E 0.5GO SEGUNDO A NORMA ISO 5833

...................................................................................................................................... 144

3.5.1 Testes de flexo ............................................................................................ 144

3.5.2 Testes de compresso ................................................................................... 146

3.5.3 Teste Push-out ............................................................................................ 147

3.4.1 Estudo do tempo de cura Setting time ......................................................... 148

3.6 CONCLUSO .............................................................................................................. 150

3.7 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................... 151

3.7.1 Hidroxiapatite ................................................................................................. 151

3.7.2 Preparao do nanocompsito PMMA/HA reforado com nanoestruturas de

carbono .................................................................................................................. 151

3.7.3 Conformao das amostras de cimento sseo para os diferentes testes ....... 152

3.7.4 Adio de agentes radicalares BPO e DMT a ambos os componentes do

cimento sseo ........................................................................................................ 152

3.7.5 Extrao por Soxhlet da frao macromolecular dos nanocompsitos ........... 153

3.8 CARACTERIZAO ..................................................................................................... 154

3.9 REFERNCIAS ............................................................................................................ 156

CAPTULO IV - BIOATIVIDADE E BIOCOMPATIBILIDADE DOS CIMENTOS SSEOS PMMA/HA

REFORADOS COM NANOESTRUTURAS DE CARBONO ......................................................... 161

4.1 INTRODUO ............................................................................................................. 163

4.2 CARACTERIZAO SUPERFICIAL DAS AMOSTRAS .......................................................... 167

4.3 ESTUDO DE BIOATIVIDADE POR INCUBAO EM SBF .................................................... 171

4.3.1 Caracterizao da camada de fosfato de clcio formada ............................... 171

4.3.2 Avaliao da integrao da camada de fosfato de clcio formada ................. 175

4.4 ESTUDOS CELULARES DE BIOCOMPATIBILIDADE ........................................................... 177

4.4.1 Estudos de proliferao celular ...................................................................... 177

xii

4.4.2 Estudos de morfologia celular ....................................................................... 179

4.4.3 Estudos de viabilidade celular e apoptose ..................................................... 180

4.5 CONCLUSO ............................................................................................................. 182

4.6 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................... 183

4.6.1 Polimento das amostras ................................................................................ 183

4.6.2 Estudos de mineralizao em SBF ................................................................ 183

4.6.3 Medio de ngulo de contacto na superfcie das amostras com gua e

diclorometano ......................................................................................................... 184

4.6.4 Estabilizao das amostras para estudos in vitro de biocompatibilidade* ...... 184

4.6.5 Estudos de proliferao celular* .................................................................... 184

4.6.6 Estudos de morfologia celular por microscopia confocal* .............................. 185

4.6.7 Estudos de morfologia celular por SEM* ....................................................... 185

4.6.8 Estudos de viabilidade celular e apoptose por citometria de fluxo* ................ 185

4.6.9 Validao estatstica dos resultados por SPSS* ............................................ 186

4.7 CARACTERIZAO ..................................................................................................... 187

4.8 REFERNCIAS ........................................................................................................... 188

CAPTULO V - CONCLUSO GERAL ................................................................................... 193

5.1 CONSIDERAES FINAIS ............................................................................................ 194

APNDICES ..................................................................................................................... 197

APNDICE 1- MATERIAIS E REAGENTES ............................................................................ 199

APNDICE 2- TCNICAS DE CARACTERIZAO MAIS COMUNS ............................................. 201

APNDICE 3- PUBLICAES DURANTE O PERODO DE DOUTORAMENTO ............................... 203

xiii

Lista de abreviaturas e smbolos

ADN cido desoxirribonucleico

AFM Microscopia de Fora Atmica

APTS 3-Aminopropiltrietoxisilano

ATRP Polimerizao Radicalar por Transferncia de tomo

BPO Perxido de Benzolo

CNTs Nanotubos de Carbono

DAPI 4'-6-diamidino-2'-fenillindol

DCB 1,2-Diclorobenzeno

DCC N,N-Diciclohexilcarbodiimida

DCE 1,2-Diclorometano

DCPA Hidrogenofosfato de clcio anidro

DCPD Hidrogenofosfato de clcio di-hidratado

DMA Analise Dinmico-Mecnica

DMac N,N-Dimetilacetamida

DMEU 1,3-Dimetil-2-Imidazolidinona

DMF N,N-Dimetilformamida

DMSO Dimetilsulfoxido

DMT Dimetil-para-toluidina

DNA cido Desoxirribonucleico

EDC 1-Etil-3-(3-Dimetilaminopropil)carbodiimida

Fad Fora de Adeso

FFT Transformadas de Fourier

FL Fora de atrito

FN Fora Normal

FTIR Espectroscopia de Infravermelho por Transformadas de Fourier

GBL -Butirolactona

GHR Grafenos Reduzidos por Hidrazina

GICs Compostos de Intercalao de Grafite

GO xido de Grafeno

GPMMA Grafenos Modificados com PMMA

GTR Grafenos Reduzidos Termicamente

HA Hidroxiapatite

HATU 2-(7-Azo-1H-Benzotriazol-1-il)-1,1,3,3-Tetrametiluronium Hexafluorfosfato

HMPA Hexametilfosforoamida

HRTEM Microscopia Eletrnica de Transmisso de Alta Resoluo

MMA Metacrilato de Metilo

xiv

Mn Numero Molecular

Mw Peso molecular

MWCNTs Nanotubos de Carbono de Parede Multipla

NMP N-Metil Pirrolidina

NMR Espectroscopia de Ressonncia Magntica Nuclear

OCP Fosfato octaclcico

PA12 Poliamida

PC Carbonato de Propileno

PD Polidispersibilidade

PE Polietileno

PMMA Polimetilmetacrilato

PMMA/HA Matriz de PMMA comercial com HA na razo de (1:2)

PP Polipropileno

PS Poliestireno

PVA Acetato de Polivinilo

PVC Cloreto de Polivinilo

RAFT Polimerizao por via Transferncia de Cadeia Reversvel por Adio-

Fragmentao

SBF Fluido Corporal Simulado

SEC Cromatografia de Excluso Molecular

SEM Microscopia eletrnica de varrimento

SWCNTs Nanotubos de Carbono de Parede Simples

TCP Tissue culture plastic

-TCP -Fosfato Triclcico

-TCP - Fosfato Triclcico

TEM Microscopia eletrnica de transmisso

THF Tetrahidrofurano

TTCP Fosfato Tetraclcico

XPS Espectroscopia Fotoelectronica de Raios-X

Coeficiente de atrito

xv

Lista de Figuras

Captulo I Pg.

Figura 1.1 Representao esquemtica da estrutura do osso. 6

Figura 1.2 Imagem de microscopia tica dos osteoclastos e dos osteoblastos numa

matriz ssea. 7

Figura 1.3 Prtese formada a partir de materiais naturais, utilizada para substituir

um dedo amputado. Foi descoberta numa escavao antropolgica dos tmulos de

Tebas Ocidental, Egipto.

8

Figura 1.4 Teoria de Frosts para o mecanismo biolgico de osteoinduo. 11

Figura 1.5 Representao grfica tpica do processo de cura de cimento sseo

base de PMMA, em que Tmax representa o valor mximo de temperatura e Tset

representa a temperatura de fixao.

15

Figura 1.6 Formao de radicais livres atravs da reao redox entre DMT e BPO. 16

Figura 1.7 Mecanismo de polimerizao do PMMA via radical livre. 17

Figura 1.8 Imagens de SEM mostrando a formao de micro-fissuras atravs de a)

poros ou de b) aglomerados. 18

Figura 1.9 Evoluo temporal do nmero de publicaes sobre materiais de

carbono. 21

Figura 1.10 Cronograma de eventos na histria da preparao, isolamento e

caracterizao de grafeno. 22

Figura 1.11 A estrutura hexagonal do grafeno constituda por duas sub-malhas A

e B. Um tomo na sub-malha A est ligado a trs tomos da sub-malha B e vice-

versa com uma distncia atmica de aproximadamente 1,42 .

23

Figura 1.12 Representao esquemtica dos dois tipos de abordagens de sntese

de grafenos, I Bottom-up e II Top-dow. 24

Figura 1.13 Modelos explicativos da estrutura do xido de grafite: Hofman, Ruess,

Scholz-Boehm e Nakajima-Matsuo. 29

Figura 1.14 Modelo Lerf-Klinowski proposto para a estrutura do xido de grafite. 29

Figura 1.15 Imagem de AFM a), estruturas do tipo lactona b) identificadas atravs

de NMR de carbono, em polarizao cruzada 1H-

13C (imagem superior) e

13C

(imagem inferior), que permitiram o desenvolvimento de um novo modelo estrutural

30

xvi

para o xido de grafite c).

Figura 1.16 Representao esquemtica da distribuio dos grupos funcionais de

oxignio superfcie do GO: A, grupos epxido no interior dos domnios aromticos,

A grupos epxido localizados na periferia dos domnios aromticos.

32

Figura 1.17 Reduo do GO a grafeno atravs de lcoois: metanol, etanol,

isopropanol e lcool benzlico. 34

Figura 1.18 Imagem de HRTEM de GO de camada nica reduzido. a) Os defeitos

estruturais esto assinalados a diferentes cores. rea a azul corresponde a zonas

desordenadas da malha de carbono que no foram reduzidas, rea a vermelho

corresponde introduo de novos tomos na estrutura de carbono, zona verde

corresponde a distores da matriz. Na zona amarela aparecem os defeitos

correspondentes a buracos ou a zonas reconstrudas. (b,c) defeitos topolgicos e

deformaes no rGO com hexgonos de carbono (azul), pentgonos (magenta) e

heptgonos (verde). A linha a tracejado a vermelho indica zonas com forte distoro

da malha cristalina.

36

Figura 1.19 Mecanismo de reduo trmica do GO atravs de radicais. 37

Figura 1.20 Anlise qumica da superfcie do GO por XPS, a) grupos com oxignio e

b) grupos com carbono. No grfico c) e d) pode-se ver a diminuio significativa das

espcies contendo oxignio com o aumento da temperatura. O grfico e) mostra que

a dessoro de oxignio molecular entre 350 e 550K paralela remoo de CO e

CO2.

38

Figura 1.21 Representao experimental do processo de reduo eletroqumica do

GO em substratos a) condutores e b) no condutores. 39

Figura 1.22 Representao esquemtica do procedimento de reduo do GO com

recurso a diferentes abordagens, reduo em soluo e reduo trmica. 40

Figura 1.23 Representao esquemtica da funcionalizao covalente dos grafenos

atravs de diferentes abordagens qumicas 162

. I Reduo do GO a grafeno atravs

de vrios agentes redutores (1, NaBH4; 2, KOH/H2O; 3, N2H4). II Funcionalizao

covalente da superfcie dos grafenos reduzidos via diazonium (ArN2X). III

Funcionalizao do GO atravs da reao com azida de sdio. IV Reduo do GO-

azida atravs de LiAlH4 resulta em GO funcionalizado com grupos amina. V

Funcionalizao de GO-azida atravs de click chemistry (RCCH/CuSO4). VI

Modificao do GO com longas cadeias alquilicas (1, SOCl2; 2, RNH2) atravs da

reao de acetilao. VII Esterificao do GO atravs dos grupos carboxilicos com

alquilaminas. VIII Reaes de abertura de anel entre os grupos epxidos do GO e os

grupos amina terminais das molculas orgnicas. IX Tratamento da superfcie do

43

xvii

GO com isocianatos orgnicos o que permite a derivatizao dos grupos

carboxlicos e hidroxilos em amidas ou steres de carbamato (RNCO).

Figura 1.24 Modificao superficial do xido de grafeno com iniciador de ATRP para

polimerizao com estireno, butilacrilato ou metilmetacrilato. 45

Figura 1.25 Polimerizao Ziegler-Natta de propileno superfcie do GO. 46

Figura 1.26 Representao esquemtica da funcionalizao no covalente do GO

atravs de, a) surfactantes b) polielectrlitos, c) DNA e d) polmeros. 48

Figura 1.27 Representao esquemtica do tamanho da matria. 49

Figura 1.28 Imagens de SEM mostrando a morfologia superficial do nanocompsito

(CNTsPMMA/HA) a diferentes ampliaes. A seta vermelha mostra a interao

entre os CNTs e a matriz PMMA/HA.

54

Figura 1.29 Imagens reais do nanocompsito 0.1%CNTs-PMMA/HA na interface

com prtese de titnio aps testes de fadiga com 1 milho de ciclos a) e b). Imagem

real c) e de microscpio tico d) de PMMA comercial mostrando as fissuras na

matriz de PMMA aps teste de fadiga com um milho de ciclos.

55

Captulo II

Figura 2.1 A figura composta por imagens de GO obtidas por diversas tcnicas de

caracterizao a) imagem real de uma soluo coloidal de GO em gua. Na figura b)

pode-se observar uma imagem de microscopia tica de vrias folhas de GO. As

figuras c) e d) representam imagens de SEM de folhas de GO a diferentes

ampliaes.

82

Figura 2.2 Representao esquemtica do duplo mecanismo de oxidao da

grafite: oxidao planar cruzada e oxidao lateral/central a) e b) (L-

comprimento lateral dos hexgonos, Vp taxa de penetrao da soluo e

hc comprimento da fratura); Imagens de AFM da grafite piroltica apos 6 e

60 s de oxidao superficial c) e d). Os grficos inseridos nas imagens

demonstram a distribuio do tamanho de clulas formadas.

84

Figura 2.3 Representao esquemtica do possvel processo de oxidao da grafite

e respetiva formao de GO. 84

Figura 2.4. Imagens obtidas por AFM do GO depositado numa lamela de Mica

extremamente fina a diferente ampliaes. O grfico representa o perfil de altura

correspondente linha representada na figura.

86

xviii

Figura 2.5 Anlise de TEM de GO sintetizado atravs da esfoliao qumica da

grafite. A figura a) mostra uma imagem de TEM do GO numa grelha de carbono

perfurado. As figuras b) e c) correspondem a imagem de HRTEM. A figura d)

correspondente imagem obtida por FFT da imagem c).

87

Figura 2.6 Espectro de FTIR do GO e do grafeno reduzido atravs de tratamento

trmico (GTR) e qumico (GHR). 88

Figura 2.7 Medidas de potencial zeta das diferentes suspenses de grafenos, GO,

GTR e GHR, em funo do pH. 90

Figura 2.8 Representao esquemtica do mecanismo de ATRP para o crescimento

controlado de cadeias de PMMA superfcie do GO. 91

Figura 2.9 Imagens de TEM do nanocompsito GPMMA. A Figura a) representa

uma imagem de TEM de uma folha de GPMMA numa grelha de carbono perfurado.

A Figura b) resulta da ampliao da zona do quadrado da Figura a). A imagem

indexada Figura a) corresponde imagem real da soluo coloidal de GPMMA em

clorofrmio.

92

Figura 2.10 Espectro de infravermelho do GO a) e do nanocompsito GPMMA b). 93

Figura 2.11 Anlise de SEC do PMMA removido da superfcie do nanocompsito

GPMMA por hidrlise. 94

Figura 2.12 Curvas termogravimtricas de PMMA comercial, GO e do GPMMA. 94

Figura 2.13 Representao esquemtica do processo de determinao do

coeficiente de atrito () e Fora de adeso (Fad) de um material por AFM. 95

Figura 2.14 Anlise por AFM da superfcie do GO a) e do nanocompsito GPMMA

b) em modo de frico. A representao grfica apresenta os resultados relativos

FN em funo da FL segundo a equao, FL=(FN + Fad). As imagens de AFM da

topografia do GO e do GPMMA foram obtidas em modo de contacto.

96

Figura 2.15 Imagens de SEM dos filmes de PMMA preparados com 1% (m/m) a) e

3% (m/m) b) de GPMMA. A fotografia demonstra a flexibilidade do filme com 1%

(m/m).

97

Figura 2.16 Imagem dos filmes de PMMA preparados A PMMA, B: 0,5% de

GPMMA, C: 1% de GPMMA, D: 1% de GO e E: 3% de GPMMA. A imagem 3D

obtida atravs de medidas de AFM em modo de contacto com uma FN de ~80 nN. O

grfico de barras corresponde intensidade da Fora de adeso dependente do

local de varrimento no filme compsito, PMMA (verde) e GO (vermelho). O grfico

da fora FL em funo da FN para a rea total da imagem 100 m2, PMMA (A) ou

98

xix

GPMMA (B).

Figura 2.17 Curvas tpicas de nanoidentao, Fora-Deslocamento, para o filme de

PMMA e PMMA reforados com GO ou GPMMA. 100

Figura 2.18 Curvas tpicas de trao uniaxial (Tenso-Deformao) para o filme de

PMMA e PMMA reforados com GO ou GPMMA. 100

Captulo III

Figura 3.1 Imagens de microscopia de SEM a) e c) e TEM b) e d) dos CNTs

funcionalizados e do GO, respetivamente. 120

Figura 3.2 Representao esquemtica da preparao de nanocompsitos de

cimentos sseos base de PMMA/HA (1/2) reforados com nanoestruturas de

carbono. Imagem de SEM do nanocompsito aps todo o processo de sntese. A

imagem ampliada mostra uma partcula de PMMA pr-polimerizado com uma

distribuio homognea de todos os componentes adicionados na sua superfcie

(HA e GO).

123

Figura 3.3 Mdulo de Young dos nanocompsitos PMMA/HA reforados com

diferentes percentagens de GO e CNTs, 0,01, 0,1, 0,5 e 1% (m/m). 124

Figura 3.4 Testes de resistncia flexo dos nanocompsitos PMMA/HA reforados

com diferentes percentagens de GO e CNTs, 0,01, 0,1, 0,5 e 1% (m/m). 125

Figura 3.5 Imagens de SEM das zonas de fratura dos nanocompsitos de cimentos

sseos reforados com 1% (m/m) de CNTs a) e b) e 1% (m/m) de GO c) e d). 126

Figura 3.6 Mdulo de armazenamento em funo da temperatura dos

nanocompsitos PMMA/HA reforados com diferentes percentagens de CNTs, 0,01,

0,1, 0,5 e 1 % (m/m).

127

Figura 3.7 Mdulo de armazenamento em funo da temperatura para os

nanocompsitos PMMA/HA reforado com diferentes percentagens de GO, 0,01,

0,1, 0,5 e 1 % (m/m).

127

Figura 3.8 Tan delta dos nanocompsitos PMMA/HA reforados com diferentes

percentagens de a) CNTs e b) GO. 128

Figura 3.9 Representao esquemtica de um possvel mecanismo de

polimerizao radicalar do PMMA sobre a influncia do GO. 130

Figura 3.10 Representao grfica das temperaturas mximas obtidas para os

diferentes nanocompsitos (GO ou CNTs) durante o processo de polimerizao do

PMMA.

131

xx

Figura 3.11 Espectros de NMR 1H de PMMA extrado dos nanocompsitos com a)

CNTs e b) GO. 133

Figura 3.12 Valores obtidos de Resistncia flexo dos nanocompsito reforado

com 0,1% (m/m) CNTs, com diferentes concentraes de agentes radicalares. 137

Figura 3.13 Valores obtidos de Mdulo de Young para os nanocompsitos

reforados com 0,1% (m/m) CNTs com diferentes concentraes de agentes

radicalares.

137

Figura 3.14 Valores obtidos de Mdulo de armazenamento dos nanocompsitos

reforados com 0,1% (m/m) de CNTs para diferentes concentraes de agentes

radicalares.

138

Figura 3.15 Valores obtidos de tan delta dos nanocompsitos reforado com 0,1%

(m/m) de CNTs para diferentes concentraes de agentes radicalares. 139

Figura 3.16 Valores obtidos de Resistncia flexo dos nanocompsitos reforados

com GO com (2X) e sem adio (0X) de radicais. 141

Figura 3.17 Valores obtidos de mdulo de Young dos nanocompsitos reforados

com GO com (2X) e sem adio (0X) de radicais. 141

Figura 3.18 Valores de mdulo de armazenamento dos nanocompsitos reforados

com GO, com adio de radicais (2X). 142

Figura 3.19 Valores obtidos de tan delta dos nanocompsitos reforados com GO,

com adio de radicais (2X). 142

Figura 3.20 Valores obtidos para a resistncia flexo dos diferentes materiais

nanocompsitos. Fotografia do aparato experimental para a realizao dos referidos

testes de flexo.

144

Figura 3.21 Imagem de SEM do nanocompsito 0.1CNT a vrias ampliaes, onde

se pode verificar a formao de micro-fissuras a) e b). No interior das microfissuras

pode-se verificar a distribuio homognea dos CNTs e o seu contributo para o

aumento da resistncia mecnica do material c) e d).

145

Figura 3.22 Imagem de SEM do nanocompsito 0.5GO a vrias ampliaes, onde

se pode analisar a distribuio homognea do GO na matriz de PMMA/HA a) e b). A

anlise de uma simples folha de GO permite verificar a sua boa integrao na matriz

de PMMA/HA c) e d), pois evidencia a presena de pequenas partculas de matriz

na sua superfcie aps rutura do material d).

146

Figura 3.23 Valores obtidos para a resistncia compresso dos diferentes

materiais nanocompsitos. Fotografia do aparato experimental para a realizao dos 147

xxi

referidos testes de compresso.

Figura 3.24 Valores obtidos para os testes de push-out dos diferentes materiais

nanocompsitos. Fotografia do aparato experimental para a realizao dos referidos

testes de push-out e respetiva configurao da amostra.

148

Figura 3.25 Valores de tempo de cura e respetiva temperatura mxima dos

diferentes cimentos sseos, PMMA/HA, 0.5GO e 0.1CNT. 149

Figura 3.26 Distribuio do tamanho de partcula de HA aps processo de moagem

com vrios tempos (0, 10, 20, 40 e 60 min). 151

Captulo IV

Figura 4.1 Imagem das amostras de nanocompsitos PMMA/HA, 0.1CNT e 0.5GO.

Anlise de AFM das referidas amostras considerando diferentes reas (25, 225 e

625 m2).

167

Figura 4.2 Rugosidade superficial mdia (RSM) das amostras PMMA/HA, 0.1CNT e

0.5GO obtida atravs de estudos de AFM (9, 25, 225 e 625 m2).

168

Figura 4.3 ngulo de contacto de gua em funo do tempo para as diferentes

superfcies dos materiais nanocompsitos: PMMA/HA, 0.1CNT e 0.5GO. 168

Figura 4.4 Imagem de SEM da superfcie polida do nanocompsito PMMA/HA. 170

Figura 4.5 Evoluo morfolgica da camada de fosfato de clcio formada

superfcie do substrato PMMA/HA aps incubao em SBF durante, 1, 3, 7, 14 e 30

dias.

171

Figura 4.6 Evoluo do pH a), concentrao de clcio b) e fsforo c) na soluo de

SBF durante o perodo de incubao dos substratos, PMMA/HA, 0.1CNT e 0.5GO. 172

Figura 4.7 Anlise por raios-X em ngulo rasante da evoluo da camada de fosfato

de clcio formada na superfcie do substrato PMMA/HA aps incubao em SBF

para vrios perodos de tempo.

173

Figura 4.8 Estudo por FTIR da evoluo camada de fosfato de clcio formada na

superfcie do substrato PMMA/HA aps incubao em SBF para vrios perodos de

tempo.

174

Figura 4.9 Imagens de SEM da superfcie de corte do cimento sseo aps

incubao durante 30 dias em SBF. Perspetiva geral da superfcie de corte a); zona

ilustrativa da interao entre o material nanocompsito e a camada apattica b) e c);

zona ilustrativa da falta de interao entre a camada apattica formada e as

partculas de PMMA pr-polimerizado d) e e).

175

xxii

Figura 4.10 Ensaios de proliferao de fibroblastos L929 na superfcie dos discos de

nanocompsitos PMMA/HA, 0.1CNT e 0.5GO aps cultura de 3 dias. As clulas

cultivadas em redor dos discos em TCP tambm foram quantificadas. Foram

tambm realizados controlos em TCP na ausncia dos materiais compsitos. O nvel

de significncia estatstica foi de * p

xxiii

Lista de Tabelas

Captulo I Pg.

Tabela 1.1 Propriedades mecnicas dos tecidos humanos. 7

Tabela 1.2 Classificao dos biomateriais quanto sua composio qumica. 9

Tabela 1.3 Composio de alguns cimentos sseos comerciais, fase lquida e fase

slida. 13

Tabela 1.4 Diferentes metodologias para a obteno de suspenses coloidais de

GO. 27

Captulo II

Tabela 2.1 Anlise de XPS dos grupos funcionais na superfcie do GO, GTR e GHR. 89

Tabela 2.2 Efeito do grafeno, tipo e quantidade, nas propriedades mecnicas dos

filmes de PMMA. 101

Captulo III

Tabela 3.1 Anlise de XPS dos grupos funcionais de oxignio na superfcie do GO e

dos CNTs. 121

Tabela 3.2 Anlise da frao polimrica de PMMA por cromatografia de excluso

molecular dos nanocompsitos com 0,1% (m/m) de CNTs ou GO. 132

Tabela 3.3 Anlise da frao polimrica de PMMA por cromatografia de excluso

molecular dos nanocompsitos com 0,1% (m/m) de CNTs com e sem adio de

radicais.

140

Tabela 3.4 Anlise da frao polimrica de PMMA por cromatografia de excluso

molecular dos nanocompsitos com 0,5% (m/m) de GO com e sem adio de

radicais.

143

Tabela 3.5 Quantidades de BPO e DMT adicionadas ao componente solido (5g) e

lquido (1,8 mL) do novo cimento sseo, respetivamente. 152

Capitulo IV

Tabela 4.1 Contribuio polar (ps) e dispersiva (

ds) para a energia de superfcie (s)

dos diferentes materiais nanocompsitos: PMMA/HA, 0.1CNT e 0.5GO. 169

xxiv

Tabela 4.2 Viabilidade celular e apoptose dos fibroblastos L929 e osteoblastos

Saos-2 aps trs dias em cultura nos nanocompsitos, PMMA/HA, 0.1CNT e 0.5GO.

As clulas que cresceram em redor das amostras foram tambm quantificadas. Os

controlos foram sempre realizados na ausncia dos materiais nanocompsitos.

181

Tabela 4.3 Reagentes para a preparao de 1L de soluo normalizada de Kokubo

(SBF). 183

1

Captulo I

Introduo Geral

Neste captulo apresenta-se um enquadramento geral do contedo da tese por forma a que

seja possvel interiorizar o conceito fundamental do trabalho desenvolvido.

elaborada uma breve descrio dos componentes biolgicos que compe a estrutura

ssea. So tambm descritos alguns processos biolgicos associados regenerao ssea,

que caracterizam esta estrutura como um elemento bastante dinmico. Por outro lado

tambm elaborado um breve resumo dos diferentes tipos de biomateriais com especial

relevncia para aplicaes destinadas a implantes ortopdicos, dando especial ateno a

biomateriais obtidos a partir de sistemas multifsicos, tais como os nanocompsitos. Neste

contexto elaborada uma reviso relativa sntese, caracterizao e modificao

superficial do grafeno por forma a valorizar o seu uso enquanto agente de reforo em

nanocompsitos.

No ltimo tpico sero apresentados os objetivos da presente tese, que de uma forma muito

genrica consistem no desenvolvimento de novas formulaes de cimentos sseos com

resistncia mecnica e capacidade de osteointegrao melhoradas.

Capitulo I

2

ndice

CAPTULO I - INTRODUO GERAL ....................................................................................... 1

1.1 ENQUADRAMENTO ......................................................................................................... 4

1.2 REVISO BIBLIOGRFICA ................................................................................................ 5

1.2.1 Funo biolgica do osso .................................................................................. 5

1.2.1.1 Estrutura do osso ........................................................................................ 5

1.2.2 Biomateriais ...................................................................................................... 8

1.2.2.1 Integrao ssea de biomateriais.............................................................. 11

1.2.3 Cimentos sseos base de PMMA ................................................................. 12

1.2.3.1 Composio dos cimentos sseos ............................................................ 13

1.2.3.2 Preparao dos cimentos sseos ............................................................. 14

1.2.3.3 Reao de polimerizao .......................................................................... 15

1.2.3.4 Limitaes dos cimentos sseos ............................................................... 17

1.2.3.5 Desenvolvimento dos cimentos sseos .................................................... 19

1.2.4 Nanoestruturas de carbono ............................................................................. 20

1.2.4.1 Grafeno ..................................................................................................... 22

1.2.4.1.1 Sntese de grafeno ............................................................................. 22

1.2.4.1.2 Sntese de xido de grafeno ............................................................... 25

1.2.4.1.2.1 Estrutura qumica do xido de grafeno ......................................... 28

1.2.4.1.3 Reduo do xido de grafeno ............................................................. 30

1.2.4.1.3.1 Reduo qumica ......................................................................... 31

1.2.4.1.3.2 Reduo trmica .......................................................................... 34

1.2.4.1.3.3 Reduo eletroqumica ................................................................ 38

1.2.4.1.3.4 Reduo por combinao de diferentes metodologias ................. 40

1.2.4.1.4 Funcionalizao dos grafenos ............................................................ 41

1.2.4.1.4.1 Funcionalizao orgnica dos grafenos ....................................... 42

1.2.4.1.4.1.1 Funcionalizao orgnica covalente ...................................... 42

Introduo Geral

3

1.2.4.1.4.1.2 Funcionalizao orgnica no-covalente ...............................47

1.2.5 Nanocompsitos ..............................................................................................48

1.2.5.1 Nanocompsitos polimricos .....................................................................50

1.2.5.1.1 Nanocompsitos de PMMA para cimentos sseos .............................53

1.3 OBJETIVOS ..................................................................................................................56

1.4 REFERNCIAS ..............................................................................................................58

Capitulo I

4

1.1 Enquadramento

Ao longo dos ltimos anos, o nmero de cirurgias ortopdicas aumentou

significativamente devido essencialmente ao aumento da esperana mdia de vida e ao

aumento de prticas desportivas. tambm de assinalar que a reconstruo de defeitos

sseos devido a extrao de tumores uma realidade cada vez mais frequente. Para

alm disso, doenas degenerativas e inflamaes afetam milhes de pessoas em todo o

mundo. Na verdade, elas representam metade de todas as doenas crnicas em pessoas

com mais de 50 anos de idade nos pases desenvolvidos, prevendo-se que a

percentagem de pessoas afetadas por doenas sseas com mais de 50 anos ir duplicar

at 2020 (http://www.boneandjointdecade.org/).

Um dos ltimos estudos desenvolvidos acerca do mercado ortopdico global demonstrou

que este tem sofrido um crescimento acentuado nos ltimos anos (2007, 2008 e 2009

11,4%, 10,3% e 4,4% respetivamente), estimando que mesmo neste quadro recessivo na

economia a nvel mundial o crescimento do mercado ortopdico global em 2010 e 2011

continue a ser uma realidade, perspetivando-se um crescimento na ordem dos 3,1 e 4,4%

respetivamente (http://www.gbiresearch.com/).

Neste contexto, a procura de materiais ortopdicos para substituio e regenerao

ssea tem aumentado consideravelmente ao longo dos anos. O crescimento de

indstrias que desenvolvem e comercializam esta gama de produtos tem sido notvel. As

multinacionais que mais se destacam neste segmento de mercado ortopdico a nvel de

volume de negcios so a Zimmer Holdings Inc., Johnson & Johnson e a Stryker

Corporation com cotas de mercado de cerca 24,3%, 23,5% e 22,2% em 2011.

Apesar das doenas msculo-esquelticas apresentarem a maior taxa de casos clnicos,

estas no se encontram no top 10 das reas de sade com maior receitas para

investigao. Este facto pode ser entendido pela baixa taxa de mortalidade quando

comparado com outras reas de sade como doenas cardiovasculares e respiratrias.

Contudo, os custos associados a este tipo de doenas so tremendos, pois restringem as

atividades dos pacientes na sua vida quotidiana, promovem o absentismo ao trabalho e

so fonte de dores crnicas (http://www.cdc.gov/nchs/nhis.htm).

Estes dados descritos anteriormente demonstram que, de facto, as doenas de foro

ortopdico se tratam de um problema de sade pblica, quer pela ordem de grandeza

dos casos clnicos, quer pelos montantes financeiros envolvidos. Neste sentido devem

ser efetuados esforos por parte da comunidade cientfica, mdica e industrial por forma

a melhorar as condies de vida dos pacientes e reduzir os custos dos procedimentos e

materiais ortopdicos.

Introduo Geral

5

1.2 Reviso bibliogrfica

1.2.1 Funo biolgica do osso

O osso o principal constituinte dos esqueletos dos animais vertebrados, por exemplo o

esqueleto humano de um adulto constitudo por cerca de 208 ossos. As estruturas

sseas apresentam como principais funes a sustentao do corpo, permitir a

realizao de movimentos, proteo dos rgos internos vitais e a produo de

elementos celulares do sangue.

Os ossos apresentam variaes morfolgicas dependendo da funo que desempenham.

Nesse sentido os ossos do corpo humano so normalmente classificados mediante as

suas dimenses: longos (ossos que apresentam um comprimento sobressaindo sobre as

outras dimenses), curtos (ossos que apresentam o comprimento, largura e espessura

homogneos), chatos (ossos que apresentam um comprimento e uma largura

sobressaindo sobre a espessura) e irregulares (ossos com formas bastante irregulares).

Apesar da formao dos ossos se iniciar durante as primeiras semanas de vida do feto, a

constituio definitiva de todos os ossos do esqueleto apenas se obtm no final da

adolescncia. Nos primeiros anos de vida o esqueleto apenas constitudo por

cartilagem, um tecido muito flexvel e elstico que no apresenta minerais na sua

constituio. Contudo com o desenvolvimento do corpo humano a cartilagem

parcialmente substituda por osso atravs de um processo denominado de ossificao.

O processo biolgico de ossificao pode ser definido de uma forma simples por um

mecanismo constitudo duas etapas: A primeira etapa consiste no revestimento do osso

por clulas especializadas denominadas por condroblastos, responsveis pela formao

de uma substncia amorfa sobre a qual os elementos minerais e nutrientes iro ser

depositados. A segunda fase ocorre a partir da morte das referidas clulas j maduras,

condrcitos, que permitem que as clulas sseas ativas, os osteoblastos, se depositem

com o objetivo de criar centros de nucleao e crescimento sseo.

1.2.1.1 Estrutura do osso

Do ponto de vista biolgico, o osso estruturalmente constitudo por trs componentes

distintos: o peristeo, o tecido sseo e a medula ssea (Figura 1.1).1 O peristeo a

camada fibrosa externa do osso, fina e branca, constitudo por bastantes vasos

sanguneos e nervos que fornecem, respetivamente, alimento e sensibilidade ao osso.

Na parte intermdia do osso encontra-se o tecido sseo, esta matriz ssea composta

por duas fases principais, uma orgnica (protenas) e outra inorgnica (minerais) ambas

com dimenses nanoescala, o que confere ao osso um bom exemplo de um

Capitulo I

6

nanocompsito (Figura 1.1). A fase orgnica, denominada colagnio, o maior

constituinte proteico que atua como unidade estrutural na qual so incorporados os

minerais que na sua maior parte so nanocristais de hidroxiapatite. O colagnio tem uma

estrutura fibrosa tpica, cujo dimetro varia de 100 a 2000 nm enquanto os nanocristais

de HA tm uma estrutura lamelar com um comprimento de 20-80 nm e espessura de 2-5

nm.2, 3 Ao primeiro componente so normalmente atribudas as caractersticas do tecido

sseo, flexibilidade e elasticidade, ao segundo componente so atribudas a dureza, a

resistncia ao choque ou ao movimento tpico do osso.

Na parte mais interna do osso encontra-se uma parte cilndrica esponjosa denominada

por medula ssea (Figura 1.1). A medula ssea um tecido gelatinoso responsvel pelo

fabrico de todas as clulas do sangue, glbulos vermelhos (eritrcidos), glbulos brancos

(leuccitos) e plaquetas (trombcitos). tambm constituda por clulas responsveis

pelo crescimento e regenerao do osso, osteoblastos e osteoclastos, e por clulas

reticuladas e fibras que compem uma malha por forma a sustentar todas as clulas

referidas anteriormente.

Figura 1.1 Representao esquemtica da estrutura do osso

(http://www.sciencemag.org/content/310/5751/1135/F1.expansion.html).

De uma maneira geral, pensa-se que o osso um tecido inerte aps atingir a maturidade,

contudo, ao longo da vida, o osso passa por constantes fases de regenerao, com os

tecidos mais velhos a serem constantemente regenerados por tecidos novos. Neste

processo de renovao ssea, os osteoclastos so responsveis pela destruio do

tecido envelhecido criando cavidades ocas que permitem a deposio dos osteoblastos,

sendo estes responsveis pela produo de tecido sseo novo. Contudo este processo

Introduo Geral

7

de regenerao ssea sofre um declnio constante ao longo do envelhecimento, mas

persiste durante toda a vida.

Em caso de fratura do osso, o processo biolgico de reparao muito semelhante ao

descrito anteriormente para a regenerao do tecido sseo, no qual os osteoclastos e os

osteoblastos (Figura 1.2) tm tambm um papel preponderante. Neste caso os

osteoclastos so responsveis pela remoo dos resduos de osso quebrado no local da

fratura atravs de um processo denominado fagocitose, enquanto os osteoblastos so

responsveis pela formao do novo tecido sseo na zona da fratura.

Figura 1.2 Imagem de microscopia tica dos osteoclastos e dos osteoblastos numa matriz

ssea (http://www.med.uva.es/biocel/Practicas/PHistologia/Practica9.html).

Em algumas fraturas mais graves os cirurgies recorrem a biomateriais para substituir as

zonas lesionadas e simultaneamente estimular o crescimento do tecido sseo na zona de

fratura. Estes materiais ao serem aplicados devem respeitar as propriedades e as

caractersticas estruturais das estruturas sseas que vo substituir. Na tabela seguinte

esto descritas algumas das propriedades mecnicas de diversos tecidos sseos

existentes no corpo humano.

Tabela 1.1 Propriedades mecnicas dos tecidos humanos.4

Tecidos sseos Resistncia trao (MPa)

Resistncia compresso (MPa)

Mdulo de Young (GPa)

Tenacidade (MPa ml/2)

Osso esponjoso 7,4 4-12 0,02-0,5 -

Osso cortical 60-160 130-180 3-30 2-12

Cartilagens 3,7-10,5 - 0,7-15,3 (MPa) -

Ligamentos 13-46 - 0,065-0,541 -

Tendes 24-112 - 0,143-2,31 -

Capitulo I

8

A estrutura anisotrpica dos tecidos sseos leva a que as suas propriedades mecnicas

exibam direccionalidade. Por outro lado a funo do tecido sseo no corpo humano

tambm influncia propriedades como a dureza e a tenacidade.

1.2.2 Biomateriais

O uso de biomateriais data desde a poca dos Maias, Egpcios e Fencios. Descobertas

arqueolgicas demonstraram que estes povos j utilizavam diferentes materiais para

suprimir algumas debilidades anatmicas.

A descoberta mais antiga de uma prtese data dos anos 1000-600 A.C., foi encontrada

em territrio egpcio e trata-se de um dedo grande do p feito de madeira e cabedal, e

que ficou mundialmente conhecido como Cairo Toe devido sua funcionalidade (Figura

1.3).5

Dados arqueolgicos da civilizao Maia, datados do sc. VIII, demonstraram o recurso a

implantes de prtese dentria. A anlise de uma mandbula humana permitiu verificar que

o implante usado consistiu na substituio de trs dentes por fragmentos de concha.

Atravs da anlise por raios-X foi possvel verificar o primeiro caso de osteointegrao

entre o material da prtese e o osso. A escolha do material para o sucesso do implante

foi essencial, devido ao facto de que as conchas serem compostas maioritariamente por

fosfatos de clcio.5

O termo biomaterial apenas reuniu consenso relativamente ao seu significado no final

do sculo XX. Em 1986, na conferncia de Chester da Sociedade Europeia de

Figura 1.3 Prtese formada a partir de materiais naturais, utilizada para substituir um dedo

amputado. Foi descoberta numa escavao antropolgica dos tmulos de Tebas Ocidental,

Egipto.5

Introduo Geral

9

Biomateriais foi definido o significado de biomaterial como sendo um material que pode

ser usado em implantes ou dispositivos mdicos, com a inteno de interagir com os

sistemas biolgicos.6 Contudo, avanos cientficos e tecnolgicos recentes, como por

exemplo o desenvolvimento de materiais bioativos, ou seja materiais concebidos para

estimular respostas celulares especficas a nvel molecular,7 tm incitado para uma

definio mais lata do termo.

De uma forma geral os biomateriais podem ser classificados segundo um de dois

critrios: composio qumica ou comportamento biolgico. Neste sentido a primeira

premissa divide os biomateriais nas seguintes classes: metais e ligas, cermicos e vidros,

polmeros, compsitos e nanocompsitos. A tabela seguinte descreve de uma maneira

muito sinttica os diferentes tipos de biomateriais, as suas respetivas aplicaes clnicas,

vantagens e desvantagens na sua aplicao.

Tabela 1.2 Classificao dos biomateriais quanto sua composio qumica.8

Biomateriais Vantagens Desvantagens Aplicaes

Polmeros

(Polietileno, Teflon, Poliester, Poliuretano,

Polimetacrilatos, Silicone)

Elasticidade e baixa densidade

Baixa resistncia mecnica, degradao ao longo do

tempo

Suturas, artria, veias: maxilofacial (nariz, orelha,

maxilar, mandbula, dente); tendo; cimentos

sseos; oftalmologia

Metais e ligas

(Ao inoxidvel 316L, titnio, liga de titnio Ti6Al4V, liga Co-Cr)

Resistncia mecnica elevada, alta resistncia a desgaste, energia de

deformao alta

Baixa biocompatibilidade, corroso em meio fisiolgico,

perda das propriedades mecnicas em presena de

tecidos conjuntivos moles, alta densidade

Fixao ortopdica (parafusos, placas, hastes); implantes

dentrios

Cermicos e vidros

(Alumina, zirconia, fosfatos de clcio,

porcelana, carbono, vidros bioactivos)

Boa biocompatibilidade, resistncia corroso, quimicamente inertes,

alta resistncia compresso

Baixa fora de tenso, baixa resistncia mecnica, baixa elasticidade, alta densidade

Ossos, juntas, dentes e vlvulas, tendes, vasos sanguneos e traqueia

artificial

Compsitos

(Fibra de carbono-resinas, CNT-polmeros,

argila-polmeros, fosfatos de clcio-

colagenio)

Boa compatibilidade, quimicamente inertes, resistncia corroso, alta tenso de rotura

Falta de Tcnicas de processamento para obter

homogeneidade do materiais e boas interfaces entre os

componentes

Vlvula cardaca artificial, implantes sseos, juntas

de joelho

Nanocompsitos

(Nano-HA/colagnio, Nano-HA/quitosano,

Nano-HA/PLLA)

Grande rea superficial, alta reactividade superficial, forte interaco nas

interfaces, aumento das propriedades mecnicas

relativamente aos microcompositos

As tcnicas de processamento ainda no esto optimizadas, homogeneidade de todas as

fases do material

Materiais ortopdicos, engenharia de tecidos e libertao controlada de

frmacos

Capitulo I

10

A outra abordagem para tentar classificar os biomateriais baseia-se na sua capacidade

para interagir com os tecidos vivos do corpo humano. Baseado nesta premissa Hench7

tentou dividi-los em trs diferentes geraes: materiais bioinertes (primeira gerao),

materiais bioativos e biodegradveis (segunda gerao) e materiais concebidos para

estimular respostas celulares especficas a nvel molecular (terceira gerao). Estas trs

geraes no devem ser interpretadas como cronolgicas, mas concetuais, uma vez que

cada gerao representa uma evoluo sobre os requisitos e as propriedades dos

materiais envolvidos. Isto significa que no presente, investigao e desenvolvimento so

ainda dedicados a biomateriais que de acordo com as suas propriedades, podem ser

considerados de primeira ou segunda gerao.

Quando os primeiros materiais sintticos comearam a ser utilizados em aplicaes

biomdicas, a nica exigncia era atingir a combinao adequada entre as propriedades

mecnicas e a toxicidade. Neste sentido, os biomateriais de primeira gerao eram

considerados inertes para tentar reduzir ao mnimo a resposta imunitria do organismo

relativamente ao corpo estranho.4 Estes materiais de primeira gerao podem ter origem

metlica, cermica ou polimrica.9

A segunda gerao de biomateriais teve incio nos anos 80 e foi caracterizada pela

capacidade dos materiais interagirem com o ambiente biolgico de forma a melhorar a

resposta biolgica e a interao das superfcies tecido/biomaterial, bem como pelo

desenvolvimento de materiais com propriedades de bioabsoro, isto , com a

capacidade de sofrer uma degradao progressiva ao longo do tempo enquanto o tecido

se repara ou regenera.9

A terceira gerao de biomateriais consiste nos novos materiais capazes de estimular

respostas celulares especficas a nvel molecular.7 Para estes biomateriais, os conceitos

de bioatividade e biodegradabilidade esto intimamente relacionados. Contudo, a estas

propriedades ainda deve estar associada a capacidade para sinalizar e estimular a

atividade e comportamento celular. Estruturas porosas tridimensionais temporrias que

estimulem a difuso, adeso e multiplicao celular atravs de superfcies

funcionalizadas com peptdeos tem vindo a ser alvo de intensa investigao.10-12

Adicionalmente alguns destes sistemas tambm conseguem fazer a libertao controlada

de frmacos ou agentes bioqumicos que induzem um determinado comportamento nas

clulas.13

Introduo Geral

11

1.2.2.1 Integrao ssea de biomateriais

O osso uma estrutura bastante dinmica ao longo do seu tempo de vida, em especial

nos seus primeiros anos de formao. Mas para alm disso as estruturas sseas quando

solicitadas (traumas ou procedimentos cirrgicos) apresentam uma dinmica bastante

aprecivel por forma a implementar uma resposta muito eficaz a essas solicitaes. So

trs os fenmenos biolgicos que normalmente so citados em artigos de ortopedia que

pretendem descrever a resposta dos tecidos sseos presena de corpos estranhos, no

entanto ainda no apresentam total consenso relativamente sua definio:

Osteoinduo, Osteoconduo e Osseointegrao.14

A osteoinduo normalmente definida como a capacidade que um material apresenta

para a estimular a estrutura ssea com vista formao de linhagem de clulas capazes

de produzir osso, este processo denominado por osteognese. Normalmente este

fenmeno responsvel pelo osso recm-formado, como por exemplo aps fraturas ou

insero de implantes. O mecanismo biolgico associado osteoinduno consiste numa

primeira fase na estimulao das clulas sobreviventes ao dano (fratura/implante) por

forma a ter uma resposta imediata, por outro lado so enviados mensageiros

bioqumicos/biofsicos para induzir a diferenciao e a organizao celular por forma a

repor os tecidos danificados, tecido sseo e capilares (Figura 1.4).

Figura 1.4 Teoria de Frosts para o mecanismo biolgico de osteoinduo.15, 16

Capitulo I

12

O processo biolgico de osteoconduo consiste na capacidade que um material

apresenta para estimular o crescimento sseo na sua superfcie, ou promover a migrao

ssea atravs da sua estrutura porosa ou atravs de canais.

Finalmente, o termo osseointegrao suscita ainda algumas dvidas quanto a sua correta

definio, contudo uma das definies mais usadas que a osseointegrao consiste na

ancoragem direta de um implante pela formao de tecido sseo sem o crescimento de

tecido fibroso na interface osso/implante.

Podemos contudo afirmar que os trs processos biolgicos descritos anteriormente no

so fenmenos isolados uns dos outros e apresentam at uma certa dependncia. Por

exemplo se um material for txico e no apresentar qualquer estmulo celular para o

crescimento sseo, vai inviabilizar o processo de osteoconduo resultando na ausncia

de integrao com o tecido sseo.

No caso dos implantes o material pode ser osteoindutivo, mas este no um pr-

requisito para a que induo ssea ocorra, no entanto a osteoconduo e

osseointegrao dependem no s de fatores biolgicos, mas tambm da resposta ao

material do implante.

1.2.3 Cimentos sseos base de PMMA

O polmero polimetilmetacrilato (PMMA) foi descoberto em 1902 por Otto Rohm. Contudo

o primeiro cimento sseo baseado neste polmero foi desenvolvido e aplicado em cirurgia

ortopdica em 1958 por Charnley.17 Aps a aplicao do PMMA como cimento sseo

vrios outros tipos de cimentos sseos foram sendo desenvolvidos para tentar colmatar

algumas das suas debilidades. Porm o PMMA continua at hoje a ser um dos materiais

mais utilizados em prteses ortopdicas de substituio.4, 18

Os cimentos base PMMA so amplamente utilizados em aplicaes ortopdicas,

principalmente como agentes de ligao entre o implante e o osso ou na reconstruo

ssea. Cerca de 500 mil pessoas realizam cirurgias de substituio (incluindo anca e

joelho) em cada ano. No entanto, este tipo de implantes tem um tempo de vida de cerca

de 10 a 15 anos, perodo aps o qual os pacientes necessitam de uma nova cirurgia de

retificao devido falha entre o osso e o implante. Normalmente este fenmeno deve-se

essencialmente falta de integrao entre a superfcie do cimento e as superfcies do

osso e da prtese.

Introduo Geral

13

1.2.3.1 Composio dos cimentos sseos

importante referir que os cimentos sseos comerciais no so apenas constitudos por

polmero, mas sim por uma srie de constituintes que desempenham um papel

importante em todo o processo de aplicao e durabilidade da prtese ortopdica. Na

tabela seguinte esto definidos os constituintes qumicos e respetivas funes de alguns

cimentos sseos comerciais.

Os cimentos sseos comerciais base de PMMA so normalmente sistemas bi-fsicos,

constitudos por uma fase lquida e uma fase slida. A fase slida constituda por

PMMA pr-polimerizado, perxido de benzolo (BPO) como iniciador e em alguns casos

adicionado um corante e/ou um antibitico. A fase lquida constituda maioritariamente

pelo monmero, metacrilato de metilo (MMA), pelo iniciador dimetil-para-toluidina (DMT)

e por um estabilizante, hidroquinona (ou 1-4 dihidroxibenzeno), que adicionado para

evitar a polimerizao do monmero durante o perodo de armazenamento.

Tabela 1.3 Composio de alguns cimentos sseos comerciais, fase lquida e fase slida.19

Constituintes Funo CMW 1 Gentamicin (Johnson&Johnson)

Osteopal G (Merck)

AKZ (Stryker)

Fase slida (g) (g) (g)

Polmero (PMMA) Polimetilmetacrilato - matriz

33,89 33,14 29,51

Co-polimeros (MA-MMA)

Alterar as propriedades fsicas

- - 5,91

Sulfato de brio ou dixido de zirconia

Agente rdio-opacificante

3,60 6,26 4,0

BPO Iniciador redox 0,82 0,63 0,58

Antibiticos Tratamento de possveis infees

1,69 1,67 0,24

Corante Distinguir o osso do cimento

- 0,4 mg -

Fase lquida

Monmero (MMA) Polimerizar 18,22 18,40 12,15

DMT Iniciador redox 0,15 0,38 0,48

Hidroquinona Estabilizador, evita a polimerizao prematura

25 ppm 1,5 mg

Corante Distinguir o osso do cimento

- 0,4 mg -

Capitulo I

14

Para produzir o cimento, a fase lquida e slida so misturadas dando-se o incio da

polimerizao. Durante este processo a viscosidade do cimento vai aumentando

continuamente at formar um corpo slido. Este processo denomina-se normalmente por

cura. O processo de cura dos cimentos acrlicos determinado em grande parte pela sua

composio qumica.20, 21 No entanto fatores como a temperatura, humidade relativa,

relao slido-liquido, tempo de insero na cavidade do osso e espessura de cimento

tambm tm uma grande preponderncia no processo de cura.22 A melhor relao slido-

liquido parece ser 2:1 para a maioria dos cimentos, tendo em considerao que um

aumento da concentrao de monmero corresponde a um aumento de temperatura e

tempo de conformao.23, 24

1.2.3.2 Preparao dos cimentos sseos

O processo de preparao do cimento sseo base de PMMA engloba vrios passos:

mistura, espera, manipulao e conformao.21 A mistura consiste na integrao total dos

componentes lquido e slido atravs do recurso a dispositivos mecnicos ou manuais. A

espera consiste no perodo de tempo durante o qual o aumento da viscosidade permite

que o cimento sseo seja trabalhado. No final desta fase o cimento pode ser manipulado

e aplicado na respetiva prtese. No final da conformao o cimento fica totalmente

endurecido.

Numa cirurgia de artroplastia comum, o cirurgio ortopdico determina a fase de

polimerizao do cimento sseo pelo exame fsico, contudo este procedimento muito

subjetivo e requer um alto grau de experincia.25 No entanto o cirurgio pode, sempre

que necessrio, consultar os dados includos na embalagem do cimento ou recorrer s

normas internacionais, ISO 5833 (Europa)26 e ASTM Standard F-451 (EUA),27 que

fornecem orientaes relativas s condies experimentais de cada fase de manipulao.

Na primeira fase de preparao do cimento sseo (Dough time) procede-se mistura e

homogeneizao do componente lquido e slido do cimento sseo. Atravs do recurso

norma ISO 5833 (Implants for surgery Acrylic resin cements) considera-se por

terminado este processo quando o cimento no se cola s luvas, o que leva 2-3 minutos

aps o incio da mistura. A segunda fase corresponde manipulao do cimento (working

time) e corresponde ao tempo que o cirurgio tem para inserir a prtese e ajustar o seu

posicionamento. A ltima fase do processo corresponde ao aumento da dureza do

cimento sseo (Setting time), que segundo a norma ISO 5833 tem inicio quando a

temperatura da polimerizao atinge metade do valor mximo. tambm nesta fase que

se atinge o pico exotrmico da reao de polimerizao (Figura 1.5).

Introduo Geral

15

1.2.3.3 Reao de polimerizao

O PMMA um homopolmero da famlia dos acrilatos, constitudo por unidades

monomricas de metacrilato de metilo (MMA), com estrutura qumica CH2=C(CH3)COOH.

O monmero MMA um lquido incolor, voltil, com um odor frutado.

O PMMA um termoplstico, rgido, transparente e quimicamente inerte o que o torna

especialmente atrativo para as aplicaes biomdicas, cirurgia ortopdica (artroplastia:

cimentos sseos), oftalmologia (lentes intra-oculares), cirurgia maxilofacial (reconstruo

craniofacial prteses), cirurgia plstica e reconstrutiva (prteses), estomatologia

(prtese dentria), radiologia (escudo de radiao), podologia (orteses) e anatomia

patolgica (corroso vascular).28

Estas caractersticas devem-se essencialmente sua estrutura qumica. A ligao

alternada cadeia principal de grupos metilo e metacrilato origina bloqueios espaciais

considerveis. Esta configurao aleatria dos tomos de carbono assimtricos origina

uma estrutura maioritariamente amorfa, rgida.

A estrutura do monmero de metacrilato de metilo permite a polimerizao do PMMA

temperatura ambiente, com recurso a iniciadores. No caso dos cimentos sseos a

polimerizao do PMMA baseada num mecanismo tpico de polimerizao via radical

livre, com trs etapas bem definidas: Iniciao, Propagao e Terminao.29 A primeira

fase da reao consiste na formao de radicais atravs da reao redox entre o

perxido de benzoilo (BPO) e a dimetil-para-toluidina (DMT) como ilustra a Figura 1.6.

Figura 1.5 Representao grfica tpica do processo de cura de cimento sseo base de

PMMA, em que Tmax representa o valor mximo de temperatura e Tset representa a

temperatura de fixao.26

Capitulo I

16

Figura 1.6 Formao de radicais livres atravs da reao redox entre DMT e BPO.29

O mecanismo de formao de radicais atravs de aminas cclicas tercirias

sobejamente conhecido 29. Resultados experimentais tm demonstrado que as aminas

tercirias reagem com o BPO com formao de radicais livres cclicos e radicais N-metil

como representado na Figura 1.6. Estes radicais so parte decisiva no processo de

iniciao da polimerizao do PMMA (Figura 1.7- Iniciao). O radical reage com o

monmero ativando-o atravs da cedncia do seu eletro livre, seguidamente este

processo repete-se pela ligao de mais unidades monomricas levando formao de

macromolculas de PMMA (Figura 1.7- Propagao). O processo de terminao pode

ocorrer de duas formas distintas: atravs da simples desprotonao da cadeia na posio

e a respetiva formao de uma ligao dupla, ou atravs do mecanismo de

recombinao, que consiste na reao de duas cadeias polimricas ativas atravs dos

seus eletres desemparelhados formando assim uma nova ligao qumica covalente

(Figura 1.7 - Terminao). No final as macromolculas formadas tm tamanhos

moleculares diferentes dependendo do processo de terminao desencadeado.

A polimerizao em massa do MMA extremamente exotrmica (130 cal/g por unidade

monomrica), o que consequentemente provoca um aumento de temperatura, este efeito

normalmente denominado efeito de Trommsdorff.18 Este fenmeno caracterstico da

polimerizao radicalar dos acrilatos e consiste na taxa de terminao ser drasticamente

reduzida devido ao aumento da viscosidade.

Introduo Geral

17

Figura 1.7 Mecanismo de polimerizao do PMMA via radical livre.29

1.2.3.4 Limitaes dos cimentos sseos

Os cimentos sseos comerciais apresentam ainda algumas lacunas relativamente sua

aplicao, a nvel do seu comportamento mecnico e biolgico, o que condiciona o tempo

de vida do implante. Seguidamente sero referidas as principais debilidades dos

cimentos ortopdicos base de PMMA claramente identificadas por investigadores e

cirurgies ortopdicos.30

A principal finalidade do uso de cimentos sseos em prteses ortopdicas da anca

permitir uma transferncia efetiva de foras entre o implante metlico e o osso, nesse

sentido o controlo do processo de polimerizao do cimento sseo um fator

determinante para o tempo de vida da prtese. Uma das principais falhas do uso de

cimentos sseos base de PMMA deriva efetivamente do seu prprio processo de

polimerizao. O facto de ser uma reao bastante exotrmica pode provocar a formao

de necroses trmicas, levando morte dos tecidos circundantes e impedindo a circulao

sangunea, o que pode levar falta de integrao do implante.31

Um outro fenmeno relacionado com o processo de polimerizao o facto de esta no

ser completa, ou seja, o monmero adicionado no ser consumido a 100% durante o

processo de crescimento das cadeias de polmero. As quantidades de monmero

residual chegam a atingir valores na ordem dos 5%, o que potencia o aparecimento de

Capitulo I

18

necroses devido sua toxicidade.32 Por outro lado, tambm conhecido que a presena

de unidades monomricas de MMA pode atuar como plasticizante o que influencia as

propriedades mecnicas e a resistncia ao desgaste do cimento sseo.33, 34

Durante o processo de polimerizao ocorre a contrao do volume da camada de

cimento sseo aplicada o que tambm debilita o desempenho final da prtese. Este

mecanismo de contrao do cimento sseo ao longo do processo de polimerizao

origina a formao de reas com altos nveis de tenso (stress) o que promove a

formao de micro-fissuras como mecanismo de aliviar essas tenses.35 Estas pequenas

fissuras podem vir a ser a causa da falha mecnica do implante, pois o movimento

associado ao implante promove o aumento e propagao das fissuras.

As fases preliminares aplicao do cimento sseo so tambm de extrema importncia

no processo de polimerizao do PMMA. Lewis36 descreve que o peso molecular do

polmero tem um efeito significativo no desempenho mecnico da prtese. O aumento

das cadeias polimricas permite um aumento de interaes entre elas o que leva a uma

maior resistncia mecnica ao desgaste e ao aparecimento e propagao de micro-

fissuras. Por outro lado, a porosidade 37 e a presena de agregados do agente

radiopacificante 38 nos cimentos sseos tambm um parmetro essencial para a

performance da prtese e est estritamente relacionada com o processo de mistura de

ambas as fases, liquida e slida. A presena de poros/agregados no cimento permite no

s o aparecimento de micro-fissuras como tambm facilita a sua propagao o que leva

falha mecnica do implante (Figura 1.8).35, 39-43

Figura 1.8 Imagens de SEM mostrando a formao de micro-fissuras atravs de a) poros ou

de b) aglomerados.43

Introduo Geral

19

Uma outra debilidade encontrada na utilizao de cimentos sseos a formao de

pequenas partculas de compsito resultante do desgaste. A presena destas pequenas

partculas pode levar quer falha mecnica (enfraquecimento do material), quer falha

biolgica (zonas de inflamao) da prtese.

A nvel biolgico uma das maiores debilidades do uso de cimentos sseos base de

PMMA o facto do seu principal constituinte ser biologicamente inerte o que compromete

drasticamente a interface cimento/osso. Alguns estudos realizados sobre implantes

ortopdicos em pacientes revelaram que um dos maiores problemas do uso do PMMA

como cimento sseo era a falta de conectividade entre as interfaces do tecido sseo e o

biomaterial. 32, 44 A formao de cpsulas fibrosas e desmineralizao do osso junto do

implante mostraram ser as causas principais do insucesso.45, 46 Como o osso um

material dinmico, mudando continuamente a sua estrutura para acompanhar os

requisitos ao seu redor, a prolongada reduo de foras sobre o osso pode resultar num

fenmeno conhecido como blindagem stress shielding, levando ao aumento porosidade

ssea.

Aps a identificao das principais debilidades dos cimentos sseos base de PMMA,

tm vindo a ser investigadas novas formulaes de cimentos sseos de modo a tentar

colmatar as falhas mecnicas e biolgicas reconhecidas.

1.2.3.5 Novas formulaes de cimentos sseos

Ao longo dos tempos as formulaes dos cimentos sseos tem vindo a ser alteradas por

forma a suprir algumas debilidades quer a nvel mecnico quer a nvel biolgico. As reas

de atuao tm-se centrado essencialmente a dois nveis distintos, aumento das

propriedades mecnicas e/ou aumento da bioatividade dos materiais. A estratgia

utilizada por forma a atingir estes objetivos passa pela adio de uma nova fase

(orgnica/inorgnica) composio base do cimento sseo comercial.

A hidroxiapatite (HA) sobejamente conhecida como sendo um material bioativo na

reparao e substituio ssea devido sua excelente biocompatibilidade e sua

afinidade qumica e biolgica pelo tecido sseo.39 Uma das solues adotadas para a

falta de interao biolgica de alguns cimentos foi a transformao destes em respetivos

materiais compsitos, introduzindo uma fase inorgnica (HA) numa fase polimrica

maioritria (PMMA), o que permitiu assim fazer uma reproduo sinttica do osso,

resultando num cimento bioativo com propriedades biolgicas semelhantes s do osso.

No final da dcada de 90 comearam a ser desenvolvidos os primeiros compsitos para

cimento sseo, PMMA reforado HA.47 Estes novos materiais permitiram um aumento da

Capitulo I

20

osteocondutividade entre o osso e o cimento e tambm possibilitaram que o crescimento

e diferenciao dos osteoblastos na interface dos materiais fossem significativamente

melhorados. A partir do ano 2000 comearam a surgir outro tipo de materiais de reforo

com o intuito de melhorar a biocompatibilidade dos cimentos sseos, tais como, vidros

bioativos,45, 48, 49 quitosano,50 partculas de osso,51 para alm da contnua aposta na

hidroxiapatite.25, 51, 52 importante tambm referir que apesar de o principal objetivo da

adio dos reforos referidos anteriormente se prender essencialmente com o aumento

da bioatividade do cimento sseo, em alguns casos foi tambm possvel tambm

verificar um aumento nas propriedades mecnicas nas condies experimentais

utilizadas.

Posteriormente comearam a surgir cimentos sseos com antibiticos, o que permitiu

prevenir o aparecimento de infees aps aplicao do cimento sseo, reduzindo assim o

risco da necessidade de realizao de operaes de reviso da prtese. Hoje em dia o

uso de cimentos sseos com antibiticos j uma prtica rotineira em artroplastia da

anca, sendo que um dos antibiticos mais utlizados o sulfato de gentamicina.53-55

Relativamente ao incremento das propriedades mecnicas dos cimentos sseos vrios

tipos de agentes de reforo tm sido utilizados, tais como fibras de carbono,56-60

polietileno,61, 62 fibras de titnio63, 64 e fibras de ao.65 O aumento das propriedades

mecnicas foi verificado a vrios nveis, compresso, trao, resistncia flexo, mdulo

da elasticidade, tenacidade fratura e resistncia fadiga. Para alm do aumento das

propriedades mecnicas do cimento sseo tambm se verificou que para o caso dos

reforos que apresentavam boa condutividade trmica, fibras de carbono e fibras de ao,

uma diminuio na temperatura de polimerizao. Este um fator tambm muito

importante pois permite reduzir a possibilidade de formao de necroses trmicas, e

como descrito anteriormente este um elemento determinante para a diminuio do

tempo de vida da prtese.

Ultimamente os nanotubos de carbono tem sobressado como um dos agentes de reforo

como maiores potencialidades para a utilizao em cimentos sseos, no s pelas

excelentes propriedades mecnicas e trmicas mas tambm pela facilidade da

manipulao da sua superfcie.

1.2.4 Nanoestruturas de carbono

As nanoestruturas de carbono so um dos membros mais importantes na classe dos

materiais em nanotecnologia. A descoberta e a investigao subsequente das nano

estruturas de carbono teve um impacto significativo na rea da nanotecnologia,

Introduo Geral

21

estimulando e contribuindo significativamente para a evoluo cientfica em reas como a

fsica, qumica, mecnica, biologia e medicina.

Do ponto de vista histrico, o interesse cientfico pelo desenvolvimento de materiais

baseados em nanoestruturas de carbono tem vindo a aumentar devido essencialmente

descoberta de novas formas alotrpicas (Figura 1.9). Os primeiros materiais a despertar

interesse na comunidade cientfica na rea dos materiais de carbono foram os compostos

de intercalao de grafite, os chamados GICs (Graphite Intercalation Compounds),

descobertos nos anos 70 por Boehm.66 Contudo, a descoberta dos fulerenos em 1985 67

que culminou na atribuio do prmio Nobel da Qumica em 1996, direcionou a ateno

da comunidade cientfica estudiosa das estruturas de carbono a desenvolver esforos no

sentido de potencializar este tipo de materiais. Mas o verdadeiro Boom do

desenvolvimento de materiais baseados em nanoestruturas de carbono comeou em

1993 com a descoberta dos nanotubos de carbono de parede simples pelo grupo de

investigao de Iijima,68 e que se desenvolveu com a descoberta de outras variantes de

nanotubos carbono. A descoberta do grafeno por Geim e Novoselov em 2004 69 que

culminou com o premio Nobel da Fsica em 2010 veio de certo modo redefinir as atuais

atenes dos cientistas mundiais. A simplicidade do mtodo utilizado para a obteno de

monocamadas de carbono (scotch-tape) no constitui por si s um passo

preponderante no desenvolvimento cientfico e tecnolgico, contudo esta abordagem

permitiu demonstrar que possvel obter um cristal nico de carbono de alta qualidade a

duas dimenses, e