ADIÇÃO DE ALGINATO DE SÓDIO A CIMENTO DE FOSFATO DE CÁLCIO Coelho, W. T., Fernandes, J. M., Vieira, R. S., Thurmer,, M. B., Santos, L.A. Universidade Federal do Rio Grande do Sul – PPG3M –LABIOMAT
trajano@ufrgs.br
Os cimentos de fosfato de cálcio (CFC) são substitutos ósseos com grande potencial de utilização em ortopedia, traumatologia e odontologia devido à sua biocompatibilidade, bioatividade, osteocondução e osteotransdutividade, além de formarem uma pasta que pode ser moldada facilmente e colocada no sitio cirúrgico. Entretanto, os CFCs possuem baixa resistência mecânica, que no máximo se iguala à resistência mecânica do osso trabecular. Com o objetivo de avaliar a resistência mecânica e o tempo de pega de um CFC composto basicamente de fase alfa, foram adicionados Alginato de Sódio (1%, 2% e 3% em massa) e um acelerador, em meio aquoso. O pó de cimento foi misturado com líquido de pega e conformado em corpos de prova e avaliados quanto à densidade e porosidade aparentes pelo método de Arquimedes, difração de raios X e resistência à compressão. Notou-se um significativo incremento da resistência à compressão adicionando-se Alginato de Sódio.
Palavras-chave: Cimento de fosfato de cálcio, Alginato, resistência à compressão.
1. INTRODUÇÃO
Atualmente o interesse em verificar as novas possibilidades geradas pela utilização de Cimento de Fosfato de Cálcio (CFC)(1) e a ampla gama de compostos que podem ser adicionados na sua formulação para proporcionar diferentes propriedades(2-4), vem despertando a busca por composições que apresentem resultados com porosidade semelhante à do tecido ósseo e com alta resistência mecânica(5). Assim, houve a necessidade de maximizar as propriedades mecânicas de fosfato tricálcico, adequado para aplicações biomédicas. Vários autores sugerem a adição de polímeros como catalisadores desse objetivo(6-8), entre eles estão os hidrogéis, mais especificamente o Alginato de Sódio(9-10) por apresentar uma excelente biocompatibilidade.
Devido à sua viscosidade quando diluído, escolheu-se as concentrações de 1, 2 e 3% de Alginato de Sódio em peso para ser adicionado ao acelerador Na2HPO4 e
verificou-se a influência dessa adição no tempo de pega do cimento, na porosidade e resistência mecânica após curado por 24 horas em ambiente com 100% de
umidade. Verificou-se ainda a formação de Hidoxiapatita Deficiente em Cálcio (DCHA) através de difratogramas e Microscopia de Varredura Eletrônica (MEV).
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Inicialmente foi preparado o pirofosfato de cálcio (γ-Ca2P2O7) através da queima do
Fosfato de Cálcio Dibásico, DCPD (CaHPO4.2H2O), DYNE, a temperatura de 550°C
durante 5h. O pirofosfato de cálcio foi triturado com um almofariz de porcelana, e peneirado em uma peneira malha 60 ABNT (250 μm). Após foi adicionado carbonato de cálcio (CaCO3), Quimex, ao pirofosfato na proporção Ca/P 1.5 e a mistura foi
homogeneizada à seco em um frasco de polipropileno contendo esferas de alumina, na proporção em massa de 1:2 entre carga e meio de moagem, durante o tempo de 3 horas a 500 RPM. A mistura foi aquecida no forno Maitec I 4500 W a 1500ºC por 3 horas com taxa de 10ºC/min até 1000ºC e 5ºC/min até 1500ºC. O resfriamento foi realizado com taxa de 10ºC/min até a temperatura ambiente. O material foi moído com pistilo e almofariz e peneirado até a malha 60 ABNT. A seguir procedeu-se à moagem a úmido utilizando-se álcool etílico (CH3CH2OH), em um frasco de
polipropileno com capacidade volumétrica de 1L e bolas esféricas de alumina por 3 horas em 500 RPM. O material moído contendo álcool etílico foi colocado em uma estufa a 60°C durante 72h para evaporação do álcool, restando no final somente o cimento. O cimento foi passado novamente em uma peneira malha 60 ABNT.
Para identificação das fases cristalinas presente no CFC foi utilizado Difração por Raios-X (DRX). Foi empregado um difratômetro da marca XPERT Phillips MPD, com tubos com alvo de cobre (λCuKα = 1,5418 A), com 40kV e 40 mA. Os padrões de difração foram obtidos utilizando a geometria θ/2θ no intervalo de 20-50° (2θ), com um incremento de 0,05° em um tempo de 3 seg/passo.
A distribuição e tamanho médio das partículas foram determinados através da técnica de Difração a Laser através do granulômetro CILAS 1180.
Ao pó de CFC somou-se 40% de líquido em peso composto por solução contendo 2,5% de hidrogenofosfato disódico (Na2HPO4), para aceleração do tempo de pega, e
Foram confeccionados corpos de prova para teste de compressão de acordo com a norma ISO 5833(11). Para o teste de pega o pó e líquido foram misturados em um béquer por cerca de 1 min e os tempos inicial e final de pega da pasta de cimento foram determinados com agulhas Gillmore de acordo com a norma ASTM C266(12). O tempo de ajuste foi registrado quando a agulha não conseguiu criar uma indentação de 1 mm de profundidade em três áreas distintas. Os testes de densidade aparente, porosidade aparente e absorção de água foram realizados conforme a norma ASTM C20-00(2010)(13). Após a cura do cimento, os corpos de prova de compressão foram mantidos em umidade de 100% durante 24 horas e ensaiados na máquina de tração Applied Test System 1105C, com velocidade de 1 mm/min utilizando-se a célula de carga de 100kg da ALFA Instrumentos Z100. Depois de ensaiados, alguns corpos de prova foram separados para realização de MEV no aparelho marca JEOL - JSM 6060 e outros foram moídos e peneirados para realização de difratogramas com o intuito de verificação de provável modificação de fases no cimento.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 Distribuição e tamanho médio das partículas
A distribuição de tamanho de partículas por sedimentação do CFC após a moagem em meio alcoólico variaram de 25,0 a 1,50 µm, com um tamanho médio de 12,0 µm (figura 1), que é semelhante ao relatado na literatura(14, 15), ou seja, uma distribuição de 25-2 µm. A quantidade de líquido, contendo 2,5 Na2HPO4% em peso (0,4 ml / g) usado é o mesmo que o relatado na literatura(16, 17) para produzir consistência de pasta. A distribuição de tamanho de partículas do pó, em todos os tipos de cimentos, é um fator fundamental da razão líquido/pó necessária para produzir uma pasta com a consistência adequada(18).
Figura 1 - Distribuição e tamanho médio das partículas.
3.2 Tempo de pega
Os resultados das medições dos tempos de pega para as amostras demonstra que a adição de Alginato de Sódio diminui o tempo de início e fim de pega hidráulica para os CFCs, conforme literatura(19, 22). Estes resultados sugerem que a reação de polimerização do Alginato de Sódio é responsável pelo aumento da resistência mecânica inicial.
Tabela 1 – Tempo de início e fim pega.
Sem Alg 1% Alg 2% Alg 3% Alg Tempo de início de pega (min) 30 +/- 3 20 +/-3 23 +/-3 25 +/-3 Tempo de fim de pega (min) 65 +/- 5 45 +/-5 47 +/-4 50 +/-5
3.3 Porosidade aparente e densidade aparente
A quantidade de vazios existentes no corpo de prova pode ser avaliada através do método de Porosidade Aparente, que é um fator favorável ao desenvolvimento tecidual, permitindo o crescimento de tecidos no interior dos poros(20), mas em contrapartida espera-se a diminuição da resistência à compressão(21). Os valores encontrados foram plotados abaixo para uma melhor visualização dos resultados.
Figura 2 - Valores obtidos no ensaio de porosidade aparente.
Figura 3 - Valores obtidos no ensaio de densidade aparente.
De acordo com dados pode-se inferir que se comparadas com a amostra de controle a porosidade aparente apresenta um incremento de 10% para amostras com adição de 1, 2 e 3% de Alginato de Sódio e a densidade aparente decresce à medida que se adiciona Alginato de Sódio, de acordo com a literatura(7, 8, 10). Ao introduzirmos o Alginato de Sódio na composição do CFC, aumenta-se a viscosidade do líquido
adicionado, consequentemente ocorre o aumento da distância do particulado, se compararmos com a amostra de controle, que possui somente o acelerador de baixa viscosidade.
3.4 Resultados dos ensaios de resistência à compressão
Realizando o ensaio de compressão foi possível verificar que a composição com CFC adicionada de 2% de Alginato de Sódio obteve o maior valor de resistência mecânica à compressão, 14,75 MPa. Baseando-se na amostra sem adição de Alginato de Sódio como 100%, 12,55 Mpa, o valor de resistência mecânica foi compatível com a literatura(1, 2, 6, 22, 23), a amostra com 2% de Alginato de Sódio apresentou uma resistência à compressão 17% superior e a amostra com 3% de Alginato de Sódio apresentou uma redução de 22%. A medida que se adiciona o Alginato de Sódio ao líquido de mistura do cimento, ocorre o afastamento do particulado, que pode ser verificado nas respectivas densidades aparentes. Provavelmente a adição de 2% de Alginato de Sódio seria a composição que otimiza este afastamento, propiciando um melhor travamento micrestrutural devido ao surgimento do CDHA, que surge na forma acicular. Ao aumentar este distanciamento, originam-se vazios que não podem ser perfeitamente preenchidos pelas agulhas de CDHA, fragilizando a microestrutura do material.
Em função de variáveis do processo cerâmico, como tipo de moagem das matérias primas, pH da suspensão cerâmica, agentes de compactação, tipo de conformação do corpo cerâmico, pressão de conformação, entre outras, obteve-se um valor de desvio padrão compatível para amostras de CFC, que são preparadas, na maioria das vezes, in situ(13).
Figura 3 - Resistência à compressão em função da adição de Alginato de Sódio.
3.5 Difração de Raios-X: Identificação de fases cristalinas
Com a obtenção dos difratogramas foi possível identificar a presença de Hidroxiapatita (HA) nas amostras que foram processadas com o hidrogenofosfato disódico, com ou sem Alginato de Sódio.
O difratograma demonstra a formação de CDHA em CFC após cura em atmosfera com 100% de umidade pelo período de 24h está de acordo com a literatura(1-4). Verifica-se no difratograma que devido ao tempo de confinamento do material restringir-se às 24h em meio com 100% de umidade, ocorreu somente uma transformação parcial do alfa-TCP em CDHA, reação essa influenciada pelo tempo e pela umidade.
Figura 4 - Identificação das fases cristalinas para a amostra de controle e com adição de 1, 2 e 3% de Alginato de Sódio.
3.6 Microscopia eletrônica de varredura
Verifica-se na figura 5, a porosidade característica nos cimentos de TCP, fator esse determinante da sua baixa resistência mecânica e compatível com a porosidade aparente apresentada anteriormente.
Figura 5 – MEV na superfície de fratura da amostra de controle e com 1,2 e 3% de Alginato de Sódio, evidenciando poros.
Nas figuras 6 e 7 pode-se verificar através de MEV na superfície de fratura da amostra de controle e com 1, 2 e 3% de Alginato de Sódio a confirmação da distribuição uniforme de cristais de CDHA, de cor clara, espalhados sobre um fundo escuro, matriz de CFC, confirmando os difratogramas obtidos das amostras estudadas. A presença de CDHA é o fator imprescindível para o aumento de resistência mecânica nos CFCs (1-4).
Figura 6 – MEV na superfície de fratura da amostra de controle e com 1, 2 e 3% de Alginato de Sódio, evidenciando a distribuição uniforme de HA.
Figura 7 – MEV na superfície de fratura da amostra de controle e com 1,2 e 3% de Alginato de Sódio evidenciando HA.
4. CONCLUSÕES
A adição de Alginato de Sódio aumentou a porosidade aparente e reduziu a densidade aparente em todas as amostras, comparativamente à amostra sem adição do mesmo. A adição de Alginato de Sódio na proporção de 2% apresentou um incremento de 17% na resistência à compressão, mesmo apresentando uma porosidade elevada. A adição de 3% de Alginato de Sódio apresentou uma redução na resistência à compressão de 22% se comparada com a amostra sem a adição de Alginato de Sódio. Através de difratogramas verificou-se a presença de HA em todas as amostras ensaiadas, que foi confirmado nas fotos de Microscopia Eletrônica de Varredura.
5. REFERÊNCIAS
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ADDITION OF 1, 2 AND 3% IN MASS OF SODIUM ALGINATE IN CALCIUM PHOSPHATE CEMENT
ABSTRACT
The calcium phosphate cement (CFC) are bone substitutes with great potential for use in orthopedics, traumatology and dentistry because of their biocompatibility, bioactivity, osteoconductivity and osteotransdutivity, and a paste that can be easily molded and placed into the surgical site. However, CFCs have low mechanical strength, which equals the maximum mechanical strength of trabecular bone. Aiming to evaluate the strength and time to handle a CFC phase composed mainly of alpha were added to sodium alginate (1%, 2% and 3% wt) and an accelerator handle in an aqueous medium. The cement powder was mixed with liquid takes 2 minutes and resigned in specimens and assessed for apparent density and porosity by the Archimedes method, X-ray diffraction and mechanical strength. We noticed a significant increase in mechanical properties of cement added sodium alginate.
