Materiais em Gradiente Funcional

Um material com estrutura totalmente densa, ao ser implantado em tecido ósseo pode não se fixar adequadamente ao tecido, pois a fixação do implante depende principalmente da interface do material. Porosidade controlada proporciona um ambiente propício para a fixação do implante. No entanto um implante denso seria mecanicamente vantajoso, pois os vazios contidos em uma peça porosa aumentam a propensão a fraturas.

Uma tendência atual em pesquisar materiais com porosidades diferentes tem oferecido ênfase aos Materiais em Gradientes Funcionais (MGF) ou Functional Gradient

Materials (FGM).

O conceito de materiais em gradiente funcional foi proposto no Japão em 1984 Koizumi e Niino (1995). A partir desta data esses materiais têm inspirado muitos pesquisadores, por combinar propriedades e funcionalidades não encontradas em materiais com estrutura convencional. Inicialmente proposto para a Engenharia Aeroespacial e atualmente têm surgido aplicações para Engenharia Tecidual entre outras. No entanto, a seleção apropriada entre os componentes e técnica que produza as regiões de transição é de essencial importância em projetos que envolvam aplicações para tecido ósseo e reposições dentárias (pinos de dente) (KAWASAKI; WATANABE 2002; WATARI et al. 2004).

Porém um dos desafios em material com estrutura em porosidade gradual seria a delaminação das interfaces com densidades diferentes. Propostas de pesquisas com implantes em gradientes com região de transição, também conhecidos como Materiais em Gradiente Funcional (FGMs) com região de transição fornecem novas expectativas para reduzir ou eliminar problemas de fraturas, delaminação e soltura comuns em implantes homogêneos e/ou bifásicos (SHERWOOD et al., 2002). Outra incessante busca entre os pesquisadores é a aplicação de fatores que promovam crescimento e diferenciação celular para obter sucesso em aplicações para a área ortopédica e buco-maxilo-facial.

Materiais em Gradiente Funcional (FGM) são definidos de acordo com GASIK (2003) como materiais, os quais são baseados em projetos que originam peças que apresentam composição, estrutura e propriedades específicas com o objetivo de serem superiores aos materiais homogêneos, com mesmos ou similares elementos. Segundo Miyamoto et al. (1999) MGF são compostos que apresentam discreta ou contínua variação na composição.

Os projetos fundamentados em MGFs para aplicações em Engenharia Tecidual integram gradientes com sinais controlados espacialmente para conduzir as células, e potencializam com as terapias celulares, segundo Singh, Berkland e Detamore (2008). As

células são sensíveis a variações físicas e estímulos químicos, os quais causam migração (ou “taxis”), esses estímulos são explorados em Engenharia Tecidual (HAGA et al., 2005; LO et al., 2000).

Diversas pesquisas (CHEN et al., 2005; HSU; TURNER; MILES, 2007; LAUF et al., 2001; MIAO; SUN, 2010; OH et al., 2007; SINGH; BERKLAND; DETAMORE, 2008) têm investigado processamentos para obter peças heterogêneas com regiões de transição, como os MGFs. Nesses trabalhos, as diferentes fases, planejadas para gerar o gradiente, apresentam diferentes funções para adequar-se ao projeto.

Vários métodos são propostos para fabricar MGFs, os quais incluem colagem com adesivo, sinterização, spray térmico, infiltração reativa, fusão a frio (freeze-casting) (MACCHETTA; TURNER; BOWEN, 2009). Centrifugação de suspensão (OH et al. 2007; CHEN et al. 2005) com ou sem secagem a frio, Tape Casting múltiplos – este método proporciona peças com tamanho de poros e porosidade controláveis porém pouca interconectividade entre os poros (WERNER et al., 2002).

Um dos maiores desafios ao manufaturar estruturas heterogêneas como os MGFs, está em planejar as regiões de transição. Devem-se selecionar os componentes e conciliar com uma técnica de manufatura apropriada para obtenção de continuidade entre as regiões com diferentes densidades.

Durante a aplicação das técnicas deve-se considerar a temperatura e o tempo de sinterização, momento em que a peça é levada a altas temperaturas e geralmente as regiões com diferentes porosidades e tamanho de poros podem retrair de forma desigual e então ocorrer o destacamento ou soltura de uma região para outra, esse destacamento é denominado delaminação.

FGMs apresentam geralmente frações dos constituintes variadas gradualmente com dimensões geométricas em macro-escalas como espessura de cobertura. Os gradientes podem ser contínuos em níveis microscópicos ou compostos por camadas de metais, cerâmicas e polímeros. As diferentes fases, que surgem a partir da graduação dos constituintes, apresentam diferentes funções para adequar-se ao projeto.

Em estudo realizado por Sherwood et al. (2002), ao manufaturar MGF procurou-se os motivos da delaminação ocorrida conforme o processo de manufatura, em compósito com polímero e Fosfato Tricálcio (TCP) percebem que após lixiviar o cloreto de sódio, material utilizado como formador de poros, houve redução diferente entre a parte porosa e parte densa. Esses autores concluíram que o encolhimento aumenta com o tempo de lixiviação, que quanto menor a temperatura de lixiviação, maior o encolhimento. Para o material estudado por Sherwood et al. (2002) o encolhimento ocorre durante a lixiviação e não após ou durante a secagem.

Chen et al. (2005) utilizaram o método de centrifugação para produzir porosidade gradual em tubos de alumina, como formador de poros os autores utilizaram Poli (metacrilato de metila). Os tubos não evidenciaram delaminação ou trincas.

Em estudo realizado por Oh et al. (2007) a centrifugação foi utilizada para produzir a porosidade gradual e observaram, in vitro e in vivo, que as células e tecido ósseo mostraram diferentes proporções em diferentes tamanhos de poros, para crescimento celular e regeneração tecidual. O crescimento dos condrócitos e osteoblastos foram mais evidentes entre os poros de 380-405 µm; os fibroblastos foram encontrados entre os poros de 186-200 µm, e osso recém formado foi encontrado entre 290-310 µm.

Em revisão sobre as técnicas para gerar gradientes, realizada por Singh, Berkland e Detamore (2008) esses autores colocam que as técnicas combinam entrega de sinais físicos (topografia do biomaterial) e químicos (com fatores de crescimento e de diferenciação e com moléculas para adesão celular) para alcançar transição contínua na estrutura e na função.

Singh, Berkland e Detamore (2008) concluíram que moléculas sinalizadoras químicas com gradientes físicos podem fornecer um imenso potencial para a complexa regeneração de tecidos. Os quais em conjunto podem ser os fatores que faltam para cumprir todo o potencial do campo da medicina regenerativa. Outro parecer dessa revisão é que estudos comparativos in vivo são requeridos para fornecer evidências substanciais que comprovem o desempenho superior de implantes baseados em gradiente funcional quando comparados com engenharia de tecidos tradicionais.

Fuji Takeshi et al, (2009) pesquisam compósito de fosfato de octacálcio com alginato (Alg/OCP). Para manufaturar estrutura com Material em Gradiente Funcional, realizou-se o seguinte procedimento: fez-se suspensão em água deionizada para obter a barbotina de alginato com fosfato. A solução suspensa foi centrifugada nas velocidades de 3000, 5000, 10000 e 15000 rpm por 5 minutos. O que ficou suspenso sobre a superfície foi removido e liofilizado. Foi formado compósito com diferente tamanho de poros. Finalmente conformaram-se discos de 4 mm de diâmetros e 0,5 mm de espessura.

Esses autores analisaram o efeito da centrifugação em diferentes velocidades com relação ao tamanho de poros e da porosidade. Obtiveram peças com poros de 11; 9,5; 6 e 6 µm e porosidade de 91; 92; 88; 86 %. As amostras foram analisadas in vivo em calvária de ratos. Para realização da histologia as amostras foram descalcificadas, desidratadas e incluidas em parafina, fatiadas com espessura de 5 µm e coradas com Hematoxilina – Heosina e Fosfatase Ácida Resistente ao Tártaro (TRAP). Foram analisados os efeitos da porosidade na proliferação de osteoblastos e na interação tecidual. Os resultados deste estudo evidenciaram que quanto maior a porosidade maior a migração de osteoblastos para região.

Contudo, projetos com base em aprimorar a capacidade mecânica de estruturas para implantes ósseos com uma região densa e regiões porosas, possibilitam a investigação de implantes possíveis de serem aplicados em diferentes carregamentos mecânicos com uma maior possibilidade de osteointegração do que as estruturas totalmente densas.