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Estudo da Degradação Hidrolítica de Biomateriais Poliméricos
Enésio Marinho da Silva Jr.1
Sônia Maria Malmonge1
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Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas (CECS), Universidade Federal do ABC, Santo André, Brasil.
O estudo in vitro da degradação hidrolítica de biomateriais poliméricos é fundamental para o aperfeiçoamento da
biocompatibilidade dos dispositivos implantáveis. Este trabalho mostra como se comportam os polímeros biorreabsorvíveis PLLA,
PHB e PHBV puros e aditivados com acetato de tributil citrato, quando submetidos à hidrólise em condições fisiológicas. Os filmes
poliméricos foram cortados em especimens de 1cm x 2cm, suas massas secas iniciais foram medidas e posteriormente foram inoculados
em solução-tampão fosfato (pH ~ 7.4), à 37°C por 30 e 60 dias. A caracterização dos especimens após o tempo de contato com a solução
tampão foi feita por pesagem para determinação da absorção hídrica e da perda de massa. Além disso, foi feita microscopia ótica
comum para avaliar alterações morfológicas dos polímeros. Os resultados mostraram qualitativamente que ocorreu o processo
hidrolítico e que as amostras de polímeros utilizadas favorecem a deposição de cristais salinos, o que pode ser utilizado para o
desenvolvimento de biomateriais aplicados em preenchimentos ósseos.
Palavras-chave: Biomateriais, Degradação Hidrolítica, Polímeros Biorreabsorvíveis,
I. INTRODUÇÃO
desenvolvimento de biomateriais é um tema bastante
recorrente nas pesquisas para desenvolvimento de
equipamentos biomédicos implantáveis, tais como suturas
cirúrgicas, sistemas para liberação controlada de drogas,
stents, dispositivos ortopédicos e arcabouços na engenharia de
tecidos. [1]
Devido ao risco de rejeição do implante, a busca por
biomateriais cujo comportamento seja o mais adequado à
região implantada tem sido constante. Dentre os materiais
utilizados como implantes, os polímeros apresentam grande
potencial de uso, pois são, geralmente, fáceis de produzir,
manusear e apresentam características mecânicas semelhantes
às dos materiais biológicos. [2]
A avaliação do comportamento dos biomateriais para
que ele seja considerado adequado para uma aplicação
específica segue uma série de normas da ASTM (tais como a
norma F 1635-04a), principal órgão internacional responsável
pelo controle de qualidade destes biomateriais, cujos estudos
in vitro e in vivo são imprescindíveis.
Em estudos in vivo, o processo de biodegradação e
bioreabsorção é um mecanismo complexo de eventos celulares
e bioquímicos. Os estudos in vitro mostram-se uma boa
alternativa, sendo fundamentais e necessários. Os custos são
menores, o processo pode ser acelerado e as condições do
ensaio, como temperatura, pH, produtos e subprodutos de
degradação podem ser quantificados e monitorados. [2]
O escopo deste trabalho foi estudar a degradação
hidrolítica de alguns biomateriais poliméricos tais como o
PLLA (poli(L-ácido láctico)), PHB (poli(hidroxibutirato)) e
PHBV (poli(hidroxibutirato-co-valerato)). Tal estudo foi feito
através de caracterização das amostras de polímeros e
quantificação da perda de massa e da absorção hídrica para pH
fisiológico (~7.4).
O
II. MATERIAIS E MÉTODOS
Neste estudo foram empregadas amostras obtidas em
projeto PDPD da UFABC que vem sendo desenvolvido em
paralelo pela bolsista Camila Campos Santos[8]. Tais amostras
foram obtidas segundo procedimento descrito a seguir.
Preparação dos filmes
Foram preparadas as películas de PLLA [Cargil®],
PHB [Aldrich®] e PHBV[Aldrich®] por evaporação de
solvente. Cada material foi dissolvido separadamente em
clorofórmio (CCl3) para formar soluções 10% (massa/volume)
que foram mantidas em agitador magnético. As soluções
foram vertidas em uma placa de petri (50 ml) e colocadas em
uma capela para evaporação do solvente por 24 horas.
Foram preparadas também amostras dos polímeros
aditivados com acetato de tributil citrato (ATBC) que atua
como plastificante. [8]
Os filmes obtidos apresentaram espessura média de ~
85µm.
Teste de degradação hidrolítica
Dez corpos de prova (CPs) de cada um dos tipos de
polímeros utilizados foram recortados em retângulos de
dimensões de ~ 1,0 cm x 2,0 cm. Além disso, as massas
iniciais (M0) dos CPs foram pesadas em balança analítica
(BioPrecisa® – Balança Eletrônica; FA – 2104 N).
Inicialmente, todos os CPs de cada tipo de polímeros
utilizados foram desinfectados com álcool 70%, inoculadas
em tubos de ensaio contendo tampão-fosfato (pH 7.4) e
incubadas em estufa a 37°C. As massas experimentais foram
medidas transcorridos períodos de 30 e 60 dias, a partir da
incubação. No final do ensaio, foram comparadas com suas
respectivas massas iniciais.
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A cada período, cada amostra foi retirada, e com um
lenço de papel removeu-se o excesso de solução-tampão e
pesou-se a massa do CP juntamente com a massa de soluçãotampão absorvida por ele, para se quantificar a absorção
hídrica dos CPs nos respectivos períodos. Logo após, as
amostras foram secadas a vácuo para, em seguida, serem
medidas suas massas secas referentes aos respectivos
períodos.
As percentagens de absorção hídrica e de perda de
massa foram calculadas utilizando-se as equações a seguir:
Absorção Hídrica (%) = 100 x ( Massa de Águat )
Massa Secat
Perda de Massa (%) = 100 x (Massa Seca0 – Massa Secat )
Massa Seca 0
onde:
0 representa o tempo zero (inicial);
t representa o respectivo período no qual a massa foi calculada;
(a)
(b)
(c)
Fig. 2 – Micrografia de amostras de PLLA+10%ATBC (aumento de
1000x) (a) no início, (b) após 30 dias e (c) após 60 dias.
No caso do polímero PHB puro (Fig. 3a-c) e PHB
aditivado com ATBC (Fig. 4a-c) observou-se morfologia
porosa com grande diferença em relação a morfologia
apresentada pelo PLLA aditivado com ATBC, i.e., o diâmetro
dos poros neste caso é muito maior. É possível verificar,
ainda, que neste caso houve aumento no diâmetro médio dos
poros ao longo do tempo em contato com a solução
fisiológica, o que é um indicativo da ocorrência de
degradação.
Avaliação Morfológica – Microscopia Ótica Comum
Foram selecionados alguns CPs de cada tipo de
polímero em estudo, para análise por microscopia ótica
comum, empregando o microscópio Olympus BX 51M® com
câmera para aquisição de imagens Olympus Altra 20®. O
software utilizado para o tratamento das imagens foi o
Analysis®. Empregando esta técnica foi avaliada a morfologia
de espécimes antes do contato com a solução-tampão, bem
como após 30 e 60 dias em contato.
(a)
(b)
(c)
Fig. 3 – Micrografia de amostras de PHB puro (aumento de 200x) (a) no
início, (b) após 30 dias e (c) após 60 dias.
III. RESULTADOS E DISCUSSÃO
(a)
As películas de PLLA puro (Fig. 1a-c) apresentam
morfologia densa e, mesmo com aumento de 1000x, não fica
claro que tenha ocorrido alterações na morfologia ao longo do
tempo em contato com a solução fisiológica.
(a)
(b)
(c)
Fig. 1 – Micrografia da amostras de PLLA (aumento de 1000x) (a) no
início, (b) após 30 dias e (c) após 60 dias.
Já, no caso do PLLA aditivado com ATBC (Fig. 2a-c)
verificou-se morfologia de película porosa, novamente sem
grandes alterações da morfologia ao longo do tempo em
contato com a solução fisiológica.
(b)
(c)
Fig. 4 – Micrografia de amostras de PHB+10%ATBC (aumento de
200x) (a) no início, (b) após 30 dias e (c) após 60 dias.
As amostras de PHBV aditivado com ATBC (Fig. 5a-c)
apresentaram morfologia de estrutura cristalina. Não fica
clara a ocorrência de alterações ao longo do tempo em contato
com a solução fisiológica.
O gráfico 1 mostra valores inesperados, uma vez que era
esperado um padrão de decaimento linear para a perda de
massa com relação ao tempo de degradação, para todos os
polímeros em estudo. [4] Interessantemente, a diferença entre o
método utilizado por Cam et al.[4] e o utilizado no presente
trabalho foi que, após o período de incubação, na metodologia
deste trabalho não lavou-se os filmes com água destilada. O
aumento da massa no período de degradação pode, pois, ter
relação com tal fato, de modo que pode ter havido deposição
de cristais salinos na estrutura dos filmes. Porém, as análises
deste trabalho não lavou-se os filmes com água destilada. O
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(a)
(b)
(c)
Fig. 5– Micrografias de amostras de PHBV+12%ATBC (aumento de
1000x) (A) no início, (B) após 30 dias e (C) após 60 dias.
feitas não são conclusivas com relação a este resultado. Para
esclarecer este resultado numa etapa posterior deste estudo as
amostras serão submetidas a análises de microscopia
eletrônica de varredura (MEV) e infravermelho (FTIR).
Gráfico 2 – Absorção hídrica (%) com relação à massa inicial (M0).
V. AGRADECIMENTOS
Agradeço à UFABC, pela concessão de bolsa para o
projeto do PDPD e pelo suporte. Também agradeço à Camila
Campos Santos, todos os técnicos dos laboratórios didáticos
desta instituição e a todos que contribuíram para a realização
deste trabalho. E agradeço principalmente à minha orientadora
Profa. Dra. Sônia Maria Malmonge, pelos votos de confiança.
Gráfico 1– Perda de Massa (%) com relação à massa inicial média (M0).
VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
O aumento percentual da absorção hídrica das amostras
(Gráfico 2) pode ser um indicativo de que ocorreu o aumento
da porosidade dos filmes, pois conforme há uma maior
porosidade, há uma maior quantidade de espaços a serem
ocupados pela água na amostra.
[1] Barbanti, S.H.; Zavaglia, C.A.C.; Duek, E.A.R. Degradação Acelerada de
Suportes de Poli(ε-Caprolactona) e Poli(D,L-Ácido Láctico-co-Ácido
Glicólico) em Meio Alcalino. Polímeros: Ciência e Tecnologia, vol. 16, n° 2,
p. 141-148, 2006.
IV. CONCLUSÕES
[3] Gong, Y.; Zhou, Q.; Gao, C.; Shen, J. In vitro and in vivo degradability
and cytocompatibility of poly(L-lactic acid) scaffold fabricated by a gelatin
particle leaching method. Acta Biomaterialia 3, 531–540, 2007.
O processo hidrolítico pode ser analisado qualitativamente
em amostras de polímeros como PLLA, PHB e PHBV pela
variação morfológica do material durante o período de
decorrência do processo hidrolítico.
Os resultados aqui obtidos apontam para uma linha de
pesquisa a ser adotada, i.e., a importância da realização de
estudos que esclareçam o mecanismo de deposição de cristais
de fósforo e cálcio em estruturas de polímeros
biorreabsorvíveis, o que pode permitir um avanço no
desenvolvimento de biomateriais utilizados em ortopedia.
[2] Barbanti, S.H.; Zavaglia, C.A.C.; Duek, E.A.R. Polímeros
Bioreabsorvíveis na Engenharia de Tecidos. Polímeros: Ciência e Tecnologia,
vol. 15, n° 1, p. 13-21, 2005.
[4] Cam, D.; Hyon, S.; Ikada, Y. Degradation of high molecular weight
poly(L-lactide) in alkaline medium. Biomoterials 16, 833-843, 1995.
[5] Wang, Y.; Mo, W.; Yao, H.; Wu, Q.; Chen, J.; Chen, G. Biodegradation
studies
of
poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate).
Polymer
Degradation and Stability 85, 815-821, 2004.
[6] Loh, X. J.; Tan, K. K.; Li, X.; Li, J. The in vitro hydrolysis of poly(ester
urethane)s consisting of poly[(R)-3-hydroxybutyrate] and poly(ethylene
glycol). Biomaterials 27, 1841–1850, 2006.
[7] Jo, N.; Iwata, T.; Lim, K. T.; Jung, S.; Lee, W. Degradation behaviors of
polyester monolayers at the air/water interface: Alkaline and enzymatic
degradations. Polymer Degradation and Stability 92, 1199-1203, 2007.
[8] Santos, C. C.; Malmonge, S.M. Biomateriais poliméricos para reparo de
tecidos ósseos e cartilaginosos. Relatório Parcial PDPD/UFABC, 2009.