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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
