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Relatório Científico

SÍNTESE DE SCAFFOLDS 3D A BASE DE

PLA-HIDROXIAPATITA-GRAFENO

Prof. Dr. Guilhermino José Macêdo Fechine (pesquisador)

Centro de Pesquisas Avançadas em Grafeno e Nanomateriais - Mackgraphe

Apresentação do Relatório

Esse relatório descreverá as atividades realizadas a partir de fevereiro de 2015. Dentro desse contexto o relatório será dividido em 3 etapas.

1. Produção de nanocompósitos a base de PVA e óxido de grafeno: Essa etapa não estava prevista no projeto. Contudo, o recebimento da extrusora que foi usada para preparação dos compósitos via mistura no estado fundido estava previsto para final do mês de agosto de 2015. Sendo assim, afim de não prejudicar o andamento do projeto procurou-se deprocurou-senvolver pesquisas com o poli(álcool vinílico) – PVA (biocompatível) e óxido de grafeno via mistura em solvente comum. Os resultados dessas pesquisas serão relatados na forma de artigo já publicado na revista Polymer Composites (Qualis A2 área Materiais e fator de impacto igual 2,324).

2. Estratégias de inserção de materiais bidimensionais em matrizes poliméricas via mistura no estado fundido: Tendo a extrusora em mãos, iniciou-se uma série de experimentos para avaliar a melhor estratégia de inserção de materiais bidimensionais em matrizes poliméricas via mistura no estado fundido. Isso foi realizado incialmente com o poliestireno – PS e óxido de grafeno. Escolheu-se o PS como polímero modelo devido a facilidades de processamento e posterior caracterização da dispersão de cargas nesse tipo de matriz. Os resultados dessa etapa do projeto serão relatados na forma de artigo que já foi depositado no repositório “Arxiv” da Universidade de Cornell, a fim de garantir a originalidade. Porém, um artigo está sendo elaborado para ser enviado a revista Materials Horizons Qualis A1 área Materiais e fator de impacto igual 10,706). 3. Preparação e caracterização de scaffolds a base de poli(ácido láctico) - PLA,

hidroxiapatita - HA e óxido de grafeno - GO: Já sendo definido as estratégias de inserção de óxido de grafeno em matrizes poliméricas via mistura no estado fundido, procurou-se preparar os compósitos PLA/HA/GO com características adequadas a aplicações biomédicas e também com propriedades reológicas específicas para impressão 3D. Essa etapa estará descrita aqui na forma de relatório técnico-científico.

ETAPA 1: Produção de nanocompósitos a base de PVA e óxido de grafeno Pessoas envolvidas:

a) Pesquisadores:

- Prof. Guilhermino J. M. Fechine - Prof. Sergio Humberto Domingues - Camila F. P. de Oliveira

- Pablo A.R. Muñoz

- Eunézio A. Thoroh de Souza b) Alunos:

- Michelle C. C. dos Santos (IC) - Gabriela S. Medeiros (IC) - Amanda Simionato (IC) - Danilo A. Nagaoka (IC)

Como citado anteriormente, os resultados oriundos dessa etapa do trabalho estão apresentados na forma de artigo já publicado (Anexo I). O trabalho trata de como adequar propriedades de superfície do polímero PVA pela inserção de óxido de grafeno.

ETAPA 2: Estratégias de inserção de materiais bidimensionais em matrizes poliméricas via mistura no estado fundido

Pessoas envolvidas: a) Pesquisadores:

- Prof. Guilhermino J. M. Fechine - Prof. Sergio Humberto Domingues - Prof. Ricardo J. E. Andrade

- Profa. Maria Inês Bruno Tavares - Pablo A.R. Muñoz

- Camila F. P. de Oliveira - Leice G. Amorin

b) Alunos:

- Camila L. C. Rodriguez (M) - Danilo A. Nagaoka (IC)

Essa etapa do projeto foi fundamental para o aprendizado na preparação de compósitos poliméricos baseados em cargas bidimensionais (grafeno, óxido de grafeno, MoS2, hBN), etc)

via mistura no estado fundido. Devido à grande área superficial apresentada por esses materiais 2D, o processo de aglomeração também é muito favorecido. A introdução desse tipo de carga em matrizes poliméricas via estado fundido é muito complicada do ponto de vista de dispersão de cargas e escalabilidade industrial. Os resultados desta etapa da pesquisa também estão apresentados na forma de artigo. O artigo que se encontra no Anexo II, foi depositado num repositório da Universidade de Cornell chamado de Arxiv. Essa estratégia vem sendo bastante utilizada para áreas que o avanço tecnológico é muito rápido e as vezes as revistas especializadas demoram muito em sua apreciação. Logo, protege-se a ideia no repositório Arxiv e em seguida se envia para revista que tem política completamente a favor dessa metodologia. O resultado final dessa pesquisa propiciou o correto andamento da etapa principal desse projeto, que é a produção de scaffolds 3D a base de PLA com a incorporação de hidroxiapatita e óxido de grafeno via mistura no estado fundido, a fim de se obter materiais com elevado desempenho mecânico e biológico.

ETAPA 2: Preparação e caracterização de scaffolds a base de poli(ácido láctico) - PLA, hidroxiapatita - HA e óxido de grafeno - GO

Pessoas envolvidas: a) Pesquisadores:

- Prof. Guilhermino J. M. Fechine - Pablo A.R. Muñoz

- Camila F. P. de Oliveira b) Alunos:

- André Siqueira Silva (M) - Camila L. C. Rodriguez (M) - Gabriela S. Medeiros (IC)

1. Introdução

A Manufatura Aditiva (MA), também chamada de Impressão 3D, ou prototipação rápida, consiste em um conjunto de técnicas que permitem produzir peças tridimensionais através da deposição de finas camadas de material. A adição das camadas resulta na criação de formas complexas e singulares, feitas sob medida para cada aplicação. Essas técnicas possuem desperdício mínimo de material, alta eficiência energética e obtém boa precisão geométrica sem a necessidade de pós-processamento (HUANG; LIU; MOKASDAR, 2013). Dentro dos sistemas de MA, a impressão por “Fused Deposition Modeling” (FDM) é a mais utilizada para materiais poliméricos.

Dentre suas aplicações mais promissoras está seu uso na engenharia de tecidos, onde partindo de uma tomografia computadorizada é possível projetar uma matriz customizada para regeneração de tecidos ósseos denominados “scaffold”. Os principais requisitos para a fabricação de “scaffolds” são a biocompatibilidade, resistência mecânica, capacidade de vascularização e adesão celular. O “scaffold” pode ser produzido por vários materiais, podendo ser poliméricos, cerâmicos, metálicos ou compósitos (YAO et al., 2015).

Os polímeros utilizados na fabricação de “scaffolds” devem ser bioabsorvíveis e, para melhorar suas propriedades mecânicas, é comum o emprego de cargas cerâmicas resultando em compósitos de alto desempenho (BOSE; ROY; BANDYOPADHYAY, 2012). As cargas cerâmicas aplicadas devem também ser biocompatíveis e dentre elas destaca-se a hidroxiapatita (HA), esta é um biocerâmico que possui composição química similar ao tecido ósseo resultando em excelente biocompatibilidade e bioatividade (TAVARES, 2014). Embora os estudos

revelarem avanços, ainda existe melhorias a serem alcançadas como o aumento na resistência mecânica, e o favorecimento da proliferação e diferenciação celular (ARYAEI; JAYATISSA; JAYASURIYA, 2014). Porém com o advento do grafeno, surgiu uma vasta gama de possibilidades do emprego deste novo material nesta área específica.

Devido as suas propriedades únicas, o grafeno e seus derivados, como o óxido de grafeno (GO) e óxido de grafeno reduzido (rGO), vêm se destacando como materiais promissores para vários campos da ciência, tecnologia e diferentes ramos da engenharia. Desde 2008 o potencial do grafeno tem sido exaustivamente estudado em aplicações biomédicas, essas aplicações encontram-se em biossensores, agentes de liberação controlada de medicamentos, engenharia de tecidos, entre outras (ARYAEI; JAYATISSA; JAYASURIYA, 2014).

Embora muitos avanços alcançados têm sido reportados recentemente, os compósitos poliméricos a base de GO ainda não possuem técnicas de processamento que culminem em boa dispersão facilmente reprodutíveis em escala industrial. Outro fator que permanece sendo muito pesquisado é a interação biológica destes compósitos que permanece como centro de muitas discussões no meio acadêmico.

Baseados nesses fatos, o objetivo principal desse projeto de pesquisa é obter e caracterizar filamentos baseados em compósitos formados por poli(ácido láctico) (PLA), hidroxiapatita (HA) e óxido de grafeno (GO) para serem usados em FDM com intuito de produzir “scaffolds”. Para que o objetivo geral desse trabalho seja atingido, algumas metas precisam ser cumpridas, são elas:

- Sintetizar e caracterizar o óxido de grafite, material precursor do óxido de grafeno; - Preparar dispersões de óxido de grafeno;

- Obter nanocompósitos de PLA com óxido de grafeno e/ou hidroxiapatita por meio de mistura no estado fundido, usando uma extrusora de dupla rosca;

- Caracterizar os nanocompósitos de PLA com óxido de grafeno e/ou hidroxiapatita para se adquirir informações sobre propriedades mecânicas (tração), propriedades térmicas (TGA, DSC), estrutura química (espectroscopia no infravermelho e Raman) e propriedades de superfície (ângulo de contato);

2. Etapa experimental

Nesta seção serão apresentados os materiais e métodos utilizados para a produção dos materiais compósitos obtidos e as caracterizações realizadas com os mesmos. A matriz escolhida como material de base para a produção do “scaffold” foi o PLA, justamente por suas propriedades mecânicas, sua biointeração e facilidade de processamento por FDM (BARBANTI; ZAVAGLIA; DUEK, 2005). Devido sua excelente bioatividade osteocondutora a hidroxiapatita foi adicionada à matriz PLA para aumentar a sua biocompatibilidade. Com o intuito de melhorar as propriedades mecânicas e biológicas do compósito, o óxido de grafeno foi incluído ao sistema. Os materiais primários foram processados por extrusão, onde um filamento foi obtido e caracterizado para posterior uso em impressora 3D. Os “scaffold” foram produzidos por FDM com dimensões necessárias para caracterização biológica.

2.1 Poli(ácido láctico) - PLA

O PLA utilizado nesse projeto foi o INGEO® Biopolymer 3251D da NATUREWORKS® LLC, Grade 3251D, a especificação encontra-se no Quadro 1.

2.2 Hidroxiapatita – HA

Para este projeto de pesquisa foi usada uma HA sintética (ALDRICH®) na forma de pó com partículas com tamanhos menores que 200 nm.

2.3 Síntese do óxido de grafeno - GO

Para a obtenção do GO foi utilizado grafite com 99,9% de pureza (ALDRICH®), ácido sulfúrico P.A concentrado (VETEC®), permanganato de potássio (ALDRICH®), peróxido de hidrogênio P.A 30% (VETEC®), ácido clorídrico P.A. 37% (VETEC®). Em todo processo foi utilizada água deionizada por um sistema Milli-Q®.

2.4 Oxidação do grafite

A oxidação do grafite foi realizada conforme descrito a seguir: Em um balão volumétrico de fundo redondo de 500 mL, previamente colocado em banho de gelo, foi adicionado 1 g de grafite e 60 mL de H2SO4 transferido vagarosamente. Após 15 min de

vigorosa agitação, a qual foi mantida durante todo o processo, 100 mL de uma solução de KMnO4 35mg/L foi lentamente adicionada na mistura através de uma bomba peristáltica com

a vazão de 6,8 mL/min. Após o término da adição do KMnO4 o sistema foi mantido por mais 5

diluído com 100 mL de água onde as paredes do balão foram bem lavadas. Visando consumir o excesso de agente oxidante, foram adicionados gotas de solução aquosa de H2O2 até o sistema

parar de borbulhar. Esse sistema foi mantido por 24h sem agitação. Depois desse período observou-se a formação de um precipitado escuro. Após a remoção do sobrenadante o precipitado obtido foi então filtrado com papel de filtro qualitativo. Durante a filtragem o precipitado foi e lavado com 500 mL de água deionizada, posteriormente lavado com 250 mL de uma solução aquosa de ácido clorídrico 10% para a remoção de íons de sulfato, 250 mL de etanol para a remoção de contaminantes orgânicos em seguida, lavados com mais 200 mL água deionizada. Todo material foi seco em estufa a uma temperatura de 60 °C durante 24 h, obtendo-se o óxido de grafite (Gr-O). Para caracterizar esobtendo-se material, medidas de difração de Raios-X, Termogravimétria e Espectroscopia Raman foram realizadas.

Quadro 1 – Propriedades do PLA utilizado neste projeto.

Propriedades físicas Ingeo 3251D Método ASTM

Densidade relativa 1,24 D792

Índice de fluidez, g/10 min (210 °C, 2.16 kg)

80 D1238

Índice de fluidez, g/10 min (190 °C, 2.16 kg)

35 D1238

Viscosidade relativa 2,5 -

Temperature de fusão cristalina (ºC) 155-170 D3418

Temperatura de transição vítrea (ºC) 55-60 D3418

Aspecto visual Transparente -

Propriedades Mecânicas

Resistência a tração (MPa) 62 D638

Alongamento máximo (%) 3,5 D638

Resistência ao impacto Izod (J/m) 16 D256

Resistência a flexão (MPa) 108 D790

Temperatura de distorção térmica (ºC) 55 E2092

2.5 Esfoliação de óxido de grafite para óxido de grafeno

Uma massa de 240 mg de GrO foi transferida para um frasco âmbar de 1L, onde posteriormente foram adicionados em 480 mL de Álcool Etílico P.A 99,8% (SYNTH®_{). A}

dispersão foi sonificada em um banho de ultrassom ELMASONIC® _{no modo “Sweep” com}

frequência de 37 Hz a 30º C durante 120 min. Obtendo assim uma dispersão de GO de 0,5 mg/mL em etanol. A dispersão resultante foi mantida por forte agitação magnética por 12h.

2.6 Processamento dos compósitos por mistura no estado fundido

Para a produção dos compósitos, além da dispersão de GO foi utilizado o PLA em forma de pó e HA em forma de nano pó. O processo de extrusão foi realizado em uma extrusora de dupla-rosca co-rotante modelo “Process 11” da THERMO SCIENTIFIC® _{com razão}

comprimento/diâmetro L/D=40.

2.7 Preparação do PLA

Os grânulos de PLA foram imersos em nitrogênio líquido por 20 minutos e posteriormente inserido em um moinho de facas modelo SL 31 da marca SOLAB® _{até a}

obtenção de um pó fino. O pó foi então peneirado em uma peneira mecânica com malha de 30 mesh. O pó obtido foi mantido em geladeira a -2 ºC para evitar sua degradação.

2.8 Extrusão dos materiais

Para o processamento dos nanocompósitos, a técnica desenvolvida pelos pesquisadores do Mackgraphe chamada de “Solid solid desposition” foi usada (MUNÕZ et al, 2017). Essa técnica consiste de previamente ser misturada a dispersão de GO ao pó do polímero e essa solução ser conduzida a um roto-evaporador. Ao final do processo de rota-evaporação, as partículas de polímero se encontram recoberta pelas folhas de GO. Esse material é levado ao processo de extrusão. Aqui vale mencionar que para se atingir as concentrações finais desejadas, o volume da dispersão de GO a ser misturado ao pó de polímero é devidamente controlado.

Para facilitar a dispersão das cargas, uma baixa taxa de alimentação (4 g/min) foi utilizada que resultou em tempo de residência na extrusora de aproximadamente 4 minutos, mantendo-se a velocidade de rotação foi fixada em 100 rpm. A extrusora possui sete zonas de aquecimento nas quais as temperaturas foram fixadas em 180, 190, 190, 185, 185, 190, 190ºC e 175° C na matriz. A seção transversal circular da matriz utilizada foi de 2 mm de diâmetro. O extrudado foi descarregado em uma esteira com sistema de resfriamento a ar, sendo o material

resfriado na forma de filamento e posteriormente foi rebobinado em um carretel. Cada extrusão durou aproximadamente 20 minutos e gerou aproximadamente 120g de cada material. Os extrudados obtidos foram secos a vácuo por 12h e posteriormente selados á vácuo para sua caracterização. Todos os materiais processados estão descritos na Tabela 1.

Tabela 1 Composições obtidas

2.9 Caracterização dos materiais

As caracterizações foram realizadas com o produto da síntese do Gr-O, polímero puro, hidroxiapatita e compósitos.

Para o Gr-O foram usadas as técnicas de difração de raios-X, espectroscopia Raman, e análise termogravimétrica (TGA). As demais técnicas se concentraram em determinação da massa molar do PLA pelo método de cromatografia por exclusão de tamanho (SEC), avaliação das estrutura químicas por espectroscopia na região do infravermelho (FTIR) no modo de refletância total atenuada (ATR) e espectroscopia Raman, determinação da energia de superfície e ângulo de contato pelo método da gota séssil, ensaios mecânicos de resistência a tração e determinação dos parâmetros reológicos através de reologia e calorimetria exploratória diferencial (DSC). Com o objetivo de verificar a influência do pH sobre o potencial zeta dos nanocompósitos de PCL/HA/GO em forma de filme, foram realizadas medidas de superfície do potencial zeta.

a) Difração de raios-X (DRX)

As medidas de difração de raios-X foram realizadas em um difratômetro Rigaku Miniflex II equipado com filamento de Cu Kα com monocromador e fenda fixos. As amostras

Mate rial PLA (% massa) HA (% massa) GO (% massa)

PLA Puro 100 0 0 PLA/GO 0,05 99,95 0 0,05 PLA/GO 0,1 99,9 0 0,1 PLA/GO 0,3 99,7 0 0,3 PLA/HA 70 30 0 PLA/HA/GO 0,05 69,95 30 0,05 PLA/HA/GO 0,1 69,9 30 0,1 PLA/HA/GO 0,05 69,97 30 0,3

de grafite (material de partida) e Gr-O foram analisadas na forma de pó à temperatura ambiente, o intervalo angular foi de 5º até 60º a taxa de 5º/min. A distância interlamelar (d002) estimada

entre as lâminas de GO foi calculada utilizando a Lei de Bragg, descrita pela equação (1) a seguir:





sen

d

2



onde d é a distância interlamelar, λ é o comprimento de onda da radiação de Cu (0,154 nm) e θ é o ângulo de Bragg do plano referente ao pico.

b) Espectroscopia Raman

A espectroscopia Raman foi usada para caracterizar o grafite e o Gr-O, em ambos os casos amostras na forma de pós foram utilizadas, mesmo se aplica com a HA. No caso dos compósitos, para a obtenção dos espectros Raman o filamento extrudado foi picado em grânulos e com a proteção de películas de TEFLON® foram colocados em uma prensa hidráulica com aquecimento modelo SL12/20 da SOLAB® a temperatura de 190 ºC e pressão de 1,2 toneladas, durante 1 minuto. Através desse procedimento foram obtidos filmes de aproximadamente 120 µm de espessura. Os filmes foram colocados em um espectrofotômetro Raman da marca Witec UHTS 300 acoplado a um microscópio ótico de resolução de 50x. A linha de excitação utilizada foi a 532 nm. Para cada amostra, ao menos 15 espectros foram obtidos em diferentes regiões da amostra.

c) Análise termogravimétrica (TGA)

A análise termogravimetrica foi executada com a finalidade de avaliar a estabilidade térmica e evidenciar os eventos de perda de massa do óxido de grafite produzido. As curvas de TGA foram obtidas em uma termobalança STD Q600 da TAINSTRUMENTS® _{sob atmosfera}

inerte de N2. Cerca de 9,5 mg de amostra foram inseridas no porta-amostra de alumina de 30

até 700 ºC a uma taxa de aquecimento de 10 ºC/min. Nessas condições os ensaios duraram aproximadamente 2h.

d) Cromatografia por exclusão de tamanho (SEC)

Para a determinação da massa molar média numérica - 𝑀̅𝑛, média ponderada - 𝑀̅𝑤 e polidispersão (𝑀̅𝑛 /𝑀̅𝑤) do PLA puro e do contido nos compósitos, foram realizadas medidas de cromatografias por exclusão de tamanho. Aproximadamente 60 mg de cada compósito foram dissolvidas em 20 ml de clorofórmio (CLOROSOLV PLUS® _{for HPLC da ALDRICH}®_{) dentro}

de um frasco vial de 40 mL vedado com septo teflonado e colocadas sob agitação por 30 minutos. As amostras foram então filtradas em um filtro nanoporoso (MILLIPORE®) para seringa com o objetivo de remover as cargas. As medidas foram realizadas em um cromatógrafo VISTOTEC® 430 com vazão de 1 mL por minuto em uma coluna T6000M (GENERAL MIXED®), onde o solvente de corrida utilizado foi o Tetrahidrofurano (THF). Cada corrida foi realizada com o tempo de 60 min e 10 min de pós-corrida.

e) Espectroscopia na região do infravermelho (FTIR) no modo de refletância total atenuada (ATR).

Com o intuito de avaliar as estruturas químicas dos materiais (primários e compósitos) foi utilizada a técnica de FTIR com acessório de refletância total atenuada (ATR). A preparação das amostras seguiu como descrita no item 3.2.3.3 (foram com os filmes, né?). As amostras foram colocadas em um equipamento Cary 630 FTIR da AGILENT TECHNOLOGIES®. As leituras procederam de na faixa de 4000 cm-1 a 500 cm-1. Foram efetuadas pelo menos 10 leituras de cada amostra.

f) Medida do ângulo de contato

A finalidade do ensaio do ângulo de contato foi de determinar as propriedades de superfície do PLA puro e dos compósitos pela sua interação com solventes polares e apolares. As medidas foram realizadas nas peças injetadas, antes de realizar os ensaios de tração. Os ensaios foram realizados em um goniômetro DAS 100B (KRUSS®) pelo método da gota séssil. Os solventes escolhidos foram água deionizada obtida por sistema MiliQ® e Etileno glicol PA. Foram injetados 5 µL de cada solvente e as gotas transferidas para superfície dos compósitos foram avaliadas pelo software ADVANCE® onde os ângulos foram obtidos. Além disso, esse método permite determinar energia livre de superfície

 



 

p s



dispersiva

 







 





Nesta equação θ é o ângulo de contato,





superfície. Os termos com os sobrescritos '' d '' e '' p '' são o componente dispersivo e polar da energia livre de superfície.

g) Ensaio mecânico de resistência à tração

Para avaliação das propriedades mecânicas foram executados ensaios de resistência à tração seguindo a norma ASTM D638 corpo de prova tipo IV. Cada corpo de prova possuía em sua área útil de avaliação aproximadamente 10 mm de altura, e 3,40 mm de largura 3,15 mm de espessura. Para a produção dos corpos de prova o filamento extrudado foi picado e os grânulos obtidos foram processados por injeção em uma injetora modelo HAAKE MINIJET PRO® da marca THERMOFISHER SCIENTIFIC®.

Para todas as injeções os grânulos foram fundidos no barril da injetora a 190ºC e injetados com a pressão de 200 bar e 100 bar para a pressão de recalque, a temperatura do molde foi de 60ºC. Os corpos de prova foram então deixados em repouso por 48h a temperatura ambiente para sua estabilização e então foram secos a vácuo durante 12h. Para a realização do ensaio de tração os corpos de prova foram medidos, marcados e colocados em um equipamento universal de ensaios mecânicos INSTRON 3369® a 20 ºC com uma velocidade de carregamento de 10mm/min. Os ensaios foram realizados em pelo menos oito corpos de prova de cada compósito.

O módulo de elasticidade (E) foi obtido através da inclinação da curva a baixas deformações, ou seja, E = σ/ε até 0,2% de deformação e a tenacidade foi avaliada através da medida da área sob a curva tensão versus deformação até a área de ruptura (CALLISTER, 2008; CANEVAROLO, 2006).

h) Caracterização reológica

O processamento de qualquer polímero requer o conhecimento da deformação e do escoamento do material fundido, e para tal, faz-se necessário conhecer suas propriedades reológicas. A reologia é o estudo da deformação e do escoamento de matéria quando o material é submetido a uma tensão em determinado tempo (DEALY, 1989).

O comportamento reológico do PLA puro e dos compósitos foram analisados no estado de fundido em um reômetro modelo MCR 102 da ANTON PAAR® _{usando geometria de placas}

paralelas com 25 mm de raio (Figura 1). Precedendo os ensaios os filamentos extrudados foram convertidos em grânulos, secos a vácuo a 60º C por 12h. As amostras foram posicionadas com a geometria pré-aquecida uma gap de 1 mm.

Figura 1 – Representação esquemática sistema placa-placa

Um pré-teste de variação de deformação foi realizado onde foi determinado que o regime linear de deformação iniciava-se a partir de 10%. Com esse resultado todos os testes reológicos foram realizados a deformação constante de 12% o que eliminou variáveis no processo. Com o objetivo de identificar os melhores parâmetros de processamento para a utilização o filamento obtido na impressora FDM e identificar fenômenos reológicos foram realizados ensaios de varredura temperatura no regime angular e taxa de cisalhamento no regime rotacional.

i) Calorimetria exploratória diferencial (DSC)

Para a identificação de mudanças nos fenômenos térmicos decorrentes da incorporação das cargas, foram realizados ensaios de calorimetria exploratória diferencial, onde o fluxo de calor foi determinante para a análise da Tg: temperatura de transição vítrea (temperatura abaixo da qual a cadeia principal do polímero não possui mobilidade); Tm: temperatura de fusão cristalina, evento térmico só ocorre em materiais com um mínimo de cristalinidade; Xc: grau de cristalinidade, que afeta diretamente as propriedades físicas como dureza, resistência mecânica, densidade, entre outras (CANEVAROLO, 2006). Para o cálculo do grau de cristalinidade (Xc), foi utilizada a Equação 3:

w

H

H

H

X

100

.











Onde: ∆Hm = entalpia de fusão (J/g), ∆Hc = entalpia cristalização a frio (J/g), ∆Hmo = 93,7 J/g,

correspondente a entalpia de fusão supondo o polímero 100% cristalino e w é a fração mássica do PLA na amostra (GARLOTTA, 2002).

Para tais ensaios foi utilizado um calorímetro DSC 7000X da HITACHI®, onde foram adicionadas aproximadamente de 6 mg de amostra de cada material (removidas dos corpos de prova utilizados nos ensaios de tração) em panelas de alumínio. O padrão de calibração utilizado foi o índio. Em todos os ensaios utilizou-se rampas de aquecimento de 10ºC por minuto em uma faixa de 30 a 200ºC. Todos os ensaios foram realizados sobre fluxo inerte de N2 com uma vazão de 100 mL/s.

j) Processamento dos “scaffolds” por FDM

A modelagem dos “scaffolds” foi baseada na projeção de objeto com superfície de área mínima. Esse tipo estrutura é gerada pelo uso de funções trigonométricas e permitem maximizar a relação superfície/volume. Este tipo de estrutura permite interconectividade entre as cavidades, obtendo assim efeitos positivos na vascularização e aumentando a probabilidade de pontos de aderência celular. A estrutura de superfície mínima escolhida para a geração das amostras foi o Gyroid.

Para a geração da estrutura da estrutura Gyroid foi utilizado o Software K3DSurf v 0.6.2 (http: // k3dsurf.sourceforge.net) demonstrado na Figura 2. A seguinte função trigonométrica foi aplicada:

cos (x) sin (y) + cos (y) sin (z) + cos(z) sin(x) = 0 (4)

O modelo foi então exportado para um arquivo de extensão .OBJ (formato de modelagem) e posteriormente foi realizada a atribuição de espessura à superfície através do software MESHMIXER® _{e, finalmente foi realizada a conversão para a malha .STL (formato}

de impressão). A construção física dos “scaffolds” foi efetuada numa impressora FDM modelo CL PRO da CLIEVER® _{(Figura 3), constituída por uma plataforma de impressão, com}

dimensões de 230mm de largura x 230mm de comprimento x 200mm de altura com dois cabeçotes de extrusão.

Figura 2 – Geração da estrutura Gyroid.

Figura 3 – Impressora FDM utilizada para a obtenção dos “scaffolds”

As impressões foram realizadas com bico de 0,4 mm e resolução de camada de 0,1mm. A plataforma foi aquecida a 50ºC e um adesivo em spray foi utilizado como fixador na plataforma. Todos os parâmetros de impressão foram controlados pelo software CLIEVER STUDIO® 5.0, instalado em um computador conectado a impressora máquina. As dimensões das amostras estão demonstradas abaixo. Devido à diferença de viscosidade dos compósitos, cada material foi processado em condições distintas que serão descritas em seções posteriores.

l) Potencial Zeta

As medidas nas superfícies dos filmes foram realizadas em um equipamento SurPass da Anton Paar. Para realização das medidas foram preparadas soluções de KCl de 0,0375g em 500 mL de água ultrapura (solução eletrolítica). Os valores de pH foram ajustados utilizando-se Na(OH) (0.05 molar) ou HCl (0.05 molar) em uma faixa de varredura de 2 a 12 com o auxílio de um titulador potenciométrico acoplado ao sistema.

3. Resultados e discussão 3.1 Caracterização do PLA

Para a caracterização do PLA não processado foi realizada a determinação de sua massa molar por cromatografia por exclusão de tamanho (SEC), análises por espectroscopia na região do infravermelho (FTIR) no modo de refletância total atenuada (ATR), espectroscopia Raman e determinação dos parâmetros reológicos através de reologia oscilatória.

A medida da massa molar do PLA indicou que o polímero puro possui massas molares média numérica (𝑴̅ 𝒏) e ponderal (𝑴̅ 𝒘) iguais a 44.700 e 96.670 g/mol, respectivamente. Com esses valores, calculou-se a polidispersidade, 𝑴̅ 𝒘/𝑴̅ 𝒏, que é igual a 2,16. Esses valores serão usados como padrão para avaliar a influência do processamento dos compósitos contendo HA e/ou GO na massa molar final do PLA.

A Figura 4 apresenta o espectro no infravermelho do PLA antes de ser processado. O espectro do PLA evidencia a presença de diversas bandas, sendo que as mais importantes se encontram a 1747 cm-1, referentes aos modos de estiramento do grupamento C=O das ligações éster; as bandas 1076 cm-1, 1037 cm-1 e 1129 cm-1 referentes aos modos de estiramento dos grupos C-O das ligações éster (GARLOTTA, 2001). A alteração nas intensidades e/ou deslocamentos dessas bandas pode demonstrar fenômenos como a degradação do polímero através da ruptura de suas ligações éster, ou interações com outros materiais presentes no sistema, no caso aqui apresentados, com a HA e GO. Novamente, esse resultado será usado para avaliar as possíveis modificações do PLA devido ao processamento dos compósitos com HA e/ou GO.

A Figura 5 apresenta o espectro Raman do PLA não-processado. Como a caracterização do GO é normalmente realizada por espectroscopia Raman (será apresentado em seção posterior), procurou-se também obter informações do PLA por essa técnica e assim assinalar e distinguir esses materiais quando estiverem presentes no compósito.

Figura 5 - Espectro no Raman do PLA não processado.

Nesse espectro observam-se várias bandas, sendo as mais importantes as bandas intensas na região entre de 2800 cm-1 a 3000 cm-1 referentes aos modos de vibração assimétricos dos grupos CH3 presentes na estrutura, uma banda a aproximadamente 1773 cm-1 referente ao

modo vibracional dos grupos C=O das ligações éster, a banda centrada a 1455 cm-1 _{atribuída as}

vibrações do grupamento CH3 e uma banda menos intensa a 827 cm-1, referente ao grupamento

éster (KISTER; CASSANAS; VERT, 1998).

3.2 Caracterização da HA

A HA foi caracterizada por espectroscopia na região do infravermelho (FTIR) no modo de refletância total atenuada (ATR), espectroscopia Raman e difratometria de raios-X (DRX). Os dados obtidos permitirão inferir as possíveis interações da HA quando incorporada ao polímero por mistura no estado fundido.

No espectro infravermelho da HA (Figura 6) observa-se uma banda em 1460 cm-1 referente a água absorvida e outras bandas referentes a estrutura da HA (KAMALANATHAN

et al, 2014). As bandas da HA são: a 1414 cm-1 _{referente aos grupos CO}

3-2, uma bastante intensa

a 1022 cm-1 _{acompanhada de outras duas a 963 cm}-1 _{e 879 cm}-1 _{relacionadas às ligações PO} 4

3-(FRANCO; SILVA; BORGES, 2010; VOLKMER; SANTOS, 2007).

Figura 6 - Espectro no infravermelho da HA.

No espectro Raman da HA (Figura 7) observa-se uma banda curta em 1047 cm-1 referente ao modo de estiramento assimétrico do grupo PO43- (ligação P-O), uma banda intensa

centrada em 964 cm-1 atribuída modo de estiramento totalmente simétrico do PO43- tetraédrico

(ligação P-O), uma banda em 585 cm-1 _{atribuída ao modo de flexão do grupo HPO}

42-, e uma

banda em 433 cm-1 _{referente ao modo de flexão do grupo PO}

43- (ligação O-P-O)

Figura 7 - Espectro Raman da HA.

A Figura 8 apresenta o difratograma de raios-X da HA utilizada. Nesse difratograma observam-se os picos característicos da HA. Os mais importantes picos apresentam-se em 2θ = 32º, 32,5º, 33º, 34º referentes respectivamente aos planos (211), (112), (300), (202) da estrutura cristalina da HA (KOUTSOPOULOS, 2002).

3.3 Caracterização do GrO

Com a comparação dos espectros Raman do grafite antes e após seu processo de oxidação (Figura 9) pode-se inferir possíveis mudanças em sua estrutura. Devido às propriedades vibracionais dos carbonos sp2 presentes nos materiais grafíticos, estes possuem bandas características no espectro Raman. A banda G encontra-se centrada em 1572 cm-1 e é atribuída aos modos de estiramento C=C das estruturas grafíticas (SU et al., 2009), como pode ser observada no espectro do grafite. A banda D encontrada em aproximadamente 1348 cm-1 é relacionada a hibridização sp3 e associada a falhas nas ligações sp2 do grafite e das ligações incompletas nas bordas das folhas de grafeno, o que eleva a intensidade dessa banda. A presença da banda D no grafite de partida indica que este apresenta poucos defeitos, porém após o processo de oxidação observa-se que a estrutura do grafite está modificada, isto se deve ao fato de que o método de oxidação utilizado proporcionou a introdução de grupos funcionais oxigenados (SU et al., 2009). Tais grupos incluem hidroxilas (OH), epóxi (C-O-C), carbonilas (C = O) e carboxilas (COOH), sendo OH e C-O-C os grupos dominantes em todo o plano basal do GO, acarretando no aumento do número de defeitos e intensificando a banda D (SU et al., 2009; MCDONALD et al., 2015).

Figura 9 – Espectro Raman do grafite de partida e do GrO obtido.

A Figura 10 apresenta os difratogramas de raios-X do grafite (material de partida) e do GrO preparado nesse projeto de pesquisa. A análise de difração de raios-X baseou-se nos picos

de difração característicos do grafite. O grafite utilizado nesta pesquisa apresenta um pico a 2 = 26° corresponde à difração do plano (002) como também outro pico a 2 = 55º corresponde ao plano (004) (Li, 2009). A distância interplanar das camadas do grafite é de aproximadamente d002 = 0,34 nm. Após a oxidação o pico 2 = 26° diminui drasticamente em sua intensidade e

ocorre o aparecimento de um pico em, aproximadamente, 2 = 11° o que evidencia o aumento do espaçamento interplanar para d002 = 0,803 nm. Consequentemente o pico de 55° desaparece,

mostrando assim, que houve mudança na estrutura do grafite de partida, devido ao aumento na distância entre camadas, causado pela formação de grupos oxigenados (LI, 2009; ZHAO et al.,2015; FATHY, 2016).

Figura 10 – Difratograma de raios-X do GrO

Outra técnica de caracterização realizada para avaliação da oxidação do grafite foi a termogravimetria (TGA). Essa técnica permite avaliar a perda de massa em função da temperatura e utilizar os dados referentes à sua estabilidade térmica para inferir sobre processos químicos e físicos que ocorreram no material. A Figura 11 apresenta as curvas de perda de massa do GrO (linha vermelha) e do grafite (linha preta) em função da temperatura.

Figura 11 - Curvas termogravimétricas do Grafite e Gr-O.

Na faixa de temperatura estudada o grafite não apresentou perda de massa, o que indica que o material não possui grupos oxidados, isso também evidencia a pureza do material. Contudo a curva pertencente ao óxido de grafite indica três estágios de perda de massa, o primeiro ocorreu entre 30 ºC e 100 ºC e resultou em perda aproximadamente 10% de massa. Essa perda é referente a perda de umidade absorvida. O segundo entre 100 ºC e 240 ºC apresentou redução de 25% de massa é atribuído à remoção dos grupos oxigenados (carbonila, epoxila e hidroxila), e a partir de 240 ºC as perdas de massa são atribuídas à pirólise do material (DOMINGUES, 2013).

Os resultados obtidos com a espectroscopia Raman, DRX e TGA confirmam o processo oxidativo do grafite, produzindo o óxido de grafite (GrO), precursor do óxido de grafeno.

3.4 Caracterização dos compósitos

Nesta etapa foram avaliadas as alterações da massa molar da matriz polimérica causadas durante o processamento, as possíveis interações físicas e químicas entre os componentes dos compósitos, bem como as propriedades mecânicas e de superfície dos materiais produzidos.

As massas molares obtidas permitiram avaliar a degradação do PLA durante o processamento. Os resultados obtidos estão apresentados na Tabela 2.

Tabela 2- Massas molares média numérica (𝑀̅𝑛) e ponderal (𝑀̅𝑤) e polidispersão (𝑀̅𝑤/𝑀̅𝑛) do PLA não processado e processado na presença ou não da HA e/ou GO.

Primeiramente nota-se a redução de , 𝑀̅𝑤 e aumento de 𝑀̅𝑛 quando comparamos o PLA não processado com o PLA puro processado. Essa mudança é um indicativo da ocorrência de reações de cisão nas cadeias maiores devido aos efeitos de degradação termo-oxidativa ocorrida durante o processamento, reduzindo o valor da 𝑀̅𝑤 e aumentando o número médio de cadeias menores. Esse efeito de aumento de 𝑀̅𝑛 foi diminuindo pela adição de GO, pois a presença de água adsorvida na superfície das folhas de GO (mesmo após secagem em estufa, água adsorvida se mantém na estrutura) conduz a reações de hidrólise das cadeias poliméricas do PLA durante processamento causando redução tanto na 𝑀̅𝑛 quanto na 𝑀̅𝑤. Isso se agrava com o aumento da concentração de GO. A presença do HA parece não afetar as reações de degradação, mas quando combinada com o GO é observada novamente a redução em 𝑀̅𝑤. Novamente podemos inferir que a presença de água adsorvida no GO intensifica a degradação das cadeias de PLA através de mecanismos de hidrólise. Para os compósitos PLA/HA/GO, os valores de 𝑀̅𝑤 apresentam valores muitos próximos entre si, indicando que o processo de cisão cadeias foi muito semelhante para todos os sistemas.

Quanto às alterações químicas estruturais e/ou interações químicas entre os componentes PLA, HA e GO que possam ter acontecido após processamento, os espectros no infravermelho e Raman são as mais importantes fontes de dados. Na comparação dos espectros

FTIR dos materiais processados (Figura 12) é possível notar que não houve mudanças na estrutura química da matriz polimérica quando da mistura no estado fundido com a HA e/ou GO. Nos compósitos em que ocorre a presença da HA pode-se notar o aparecimento uma banda a 1034 cm-1, que em relação a HA pura apresenta deslocamento de aproximadamente 12 cm-1 o que demonstra forte interação entre PLA e HA, já as outras bandas da HA foram encobertas pelo espectro do PLA. Quanto aos compósitos contendo PLA/GO e PLA/HA/GO, não foi possível se detectar as bandas referentes ao GO, tanto pela sobreposição com as bandas do PLA e HÁ como também pelo fato das baixas concentrações usadas.

Figura 12 – Espectros no infravermelho para amostras de PLA processado e compósitos com HA e/ou GO.

A Figura 13 apresenta os espectros Raman para amostras de PLA processado e compósitos com HA e GO. No espectro dos compósitos com presença de HA é possível identificar uma banda a 960 cm-1 _{similar a identificada na HA pura, evidenciando sua presença}

no compósito. Outra inferência feita é que a interação da HA nos compósitos é estritamente física, pois não houve deslocamento significativo de sua banda característica. Outra banda a ser notada, porém com baixa intensidade, ocorre apenas nos compósitos com a presença de GO e

encontra-se em aproximadamente 1595 cm-1_{. Essa banda é atribuída a banda G identificada no}

GrO antes dos processos de dispersão e mistura, porém essa banda exibe deslocamento de 23 cm-1.

Estudos anteriores concluíram que a tensão aplicada nos derivados de grafeno, produz mudanças no espectro Raman, mais notavelmente o deslocamento na frequência da banda G e 2D. Este efeito é causado pela distorção da rede de grafeno, que por sua vez altera a frequência vibracional dos fônons. Normalmente, quando há forças de compressão aplicada na rede isso produz um efeito de aumento nos valores de frequência de vibração, enquanto forças de tração conduzem ao seu decaimento (BISSETT et al., 2012; SRIVASTAVA et al., 2011). Maiores valores de deslocamento Raman é resultado de maiores frequências e, portanto podemos concluir que o deslocamento da banda G foi resultado de esforços de compressão devido as folhas de GO estarem inseridas na massa polimérica e durante a cristalização de PLA essas folhas sofrem esforços de compressão, e também pode ser uma boa indicação de forte interação entre as partículas de GO e o polímero.

As curvas obtidas pelas análises de DSC na primeira corrida de aquecimento para as amostras de PLA puro e compósitos estão apresentadas na Figura 14 (“a” e “b”). A partir dessas curvas informações sobre temperatura de transição vítrea (Tg), temperatura de cristalização a frio (Tc), temperatura de fusão (Tm) e grau de cristalinidade (Xc), além das entalpias de cristalização (ΔHc) e de fusão (ΔHm) foram obtidas para os diferentes tipos de materiais (Tabela

3). O PLA puro apresentou valor da Tg relativamente menor quando comparado aos compósitos, mostrando que inicialmente as cargas interferiram consideravelmente na energia necessária para que a fase amorfa do PLA adquirisse mobilidade. Essa ocorrência deve-se ao fato de que parte da energia fornecida aos compósitos é utilizada inicialmente para enfraquecer as interações polímero-carga e posteriormente age no aumento da energia interna da matriz polimérica conferindo-a mobilidade resultando em uma ocorrência mais tardia desta transição térmica.

Figura 14 – As curvas obtidas pelas análises de DSC na primeira corrida de aquecimento para as amostras de PLA puro e compósitos GO (a) e compósitos com HA e HA/GO (b).

Tabela 3– Resultados de Tg, Tc, ΔHc, Tm, ΔHm e Xc dos materiais DSC.

A relação entre Tc e ΔHc é evidente pois quanto maior a energia envolvida em processos

de cristalização, maior a temperatura necessária para a ocorrência desses efeitos. Nota-se também que o aumento da concentração de GO restringe a cristalização do PLA. Quanto maior a concentração de PLA menor a cristalização da matriz polimérica, pois a formação de agregados em concentrações maiores reduz a interface de interação polímero-carga resultando em menor quantidade de pontos de nucleação. Com a presença da HA o grau de cristalinidade aumentou cerca de 90% quando comparado ao PLA puro, demonstrando o efeito da HA como agente nucleante de cristalização da matriz polimérica. Nos compósitos PLA/HA/GO o efeito de promoção de cristalização apresenta sinergia entre a HA e o GO, sendo este efeito reduzido quando a concentração de GO é elevada para 0,3%. Aqui, pode-se inferir que esse efeito decai para aas concentrações de 0,3% devido a formação de agregados, o que diminui a área superficial da interface carga-matriz.

Com o aumento da concentração de GO ocorre também uma redução no ΔHm, pois com

menor cristalinidade, menor energia é consumida na fusão dos cristais, facilitando a mudança de fase da parte polimérica do compósito. Nota-se que para todos os sistemas, um pequeno pico exotérmico ocorre em torno de 157 oC. Esses são picos característicos de cristais com formação imperfeita que são gerados pelo processo de cristalização a frio.

A partir do ensaio de tração foi possível determinar variações do comportamento mecânico dos compósitos com relação ao PLA puro, como: módulo de elasticidade (E), tensão na ruptura, deformação máxima. Os resultados extraídos dos ensaios de tração estão apresentados na Tabela 4. Esses resultados demonstraram que houve consideráveis modificações no módulo de elasticidade com inserção das cargas no sistema. Quando comparado ao PLA puro, o compósito PLA/GO com adição de 0,05% apresentou um aumento aproximado de 20% no E isso demonstra uma forte interação entre o GO e o PLA, pois houve grande transferência de tensão aplicada na matriz para a fase dispersa, mesmo em uma proporção mássica pequena de partícula adicionada e com um grau de cristalinidade inferior. Esse aumento notório de E evidencia também a eficiência da dispersão do GO na matriz, pois quanto mais dispersa a carga melhor a transferência de tensão para o particulado, comprovando bom desempenho do GO como carga e eficácia do método de processamento utilizado (BARADARAN, 2014).

Tabela 4 – Resultados dos ensaios de tração para o PLA puro e compósitos.

Ao se aumentar a concentração para 0,1% de GO o E cai em relação à formulação anterior e essa tendência se mantém com o aumento de concentração para 0,3%. Tais resultados demonstram que com o aumento da concentração o módulo de elasticidade decai provavelmente pela formação de agregados que resulta na redução da região interfacial polímero/partícula. Essa tendência vai de encontro aos conceitos teóricos que concluem que quanto menor a partícula inserida no sistema maior é sua área superficial, e consequentemente, maiores são os pontos possíveis de interação polímero/partícula, até que se alcance o limiar de percolação

mecânica (FRALICK; GATZKE; BAXTER, 2012). Após exceder essa concentração a interação partícula/partícula é maior do que a interação polímero/partícula e a formação de agregados ocorrem, impossibilitando a criação de uma grande interface, reduzindo o ganho de propriedade (KELEDI; HARI; PUKANSZKY, 2012).

Quando a HA foi adicionada, o compósito PLA/HA, este apresentou um aumento de módulo de quase 36% e uma redução na tensão de ruptura de 31% quando comparado ao PLA puro devido tanto a natureza da carga quanto ao aumento de cristalinidade do PLA proporcionada pela sua inserção na matriz. Entretanto vale lembrar que a quantidade adicionada de HA foi de 30%, e em proporções tão altas é comum à presença de aglomerados que poder agir como concentradores de tensões na estrutura que conduzem a fragilização do material (HARPER, 1998). A adição da HA nessa proporção já é utilizada em biomateriais e é necessária para propiciar a osteointegração, contudo devido às propriedades da HA sua incorporação reduz a tenacidade do material.

Com a incorporação 0,05% do GO, o compósito PLA/HA/GO obteve aumento no módulo de elasticidade de 18% em relação ao PLA/HA, isso demonstra que nessas proporções as cargas de GO e HA estão agindo de forma a melhorar o desempenho mecânico do material. Porém a mesma tendência evidenciada nos compósitos PLA/GO volta a aparecer nos compósitos PLA/HA/GO, onde com o aumento da concentração de GO o módulo de elasticidade decai. As Figura 15 (a) e (b) demonstram os resultados de E dos materiais.

Figura 15 - (a) variação no módulo elástico do PLA puro e dos compósitos PLA/GO, (b) variação no módulo elástico dos compósitos PLA/HA e PLA/HA/GO

(a)

(b)

Quanto à máxima resistência à tração (Figura 16 (a) e (b)), houve declínio com o aumento da concentração de GO, corroborando a hipótese de que os resultados seriam melhores em concentrações menores de partícula. Quando comparados o compósito PLA/HA com as

composições PLA/HA/GO, nota-se que não houveram mudanças significativas na tensão máxima de ruptura, pois neste aspecto a HA demonstra mais influência do que o GO, inclusive pela proximidade nos valores de grau de cristalinidade dos compósitos que possuem ocorrência de HA.

Figura 16 (a) Resistência a tração do PLA puro e dos compósitos PLA/GO, (b) variação na resistência a tração dos compósitos PLA/HA e PLA/HA/GO

(a)

Para os resultados de deformação (Figura 17), a inserção do GO ao sistema aumentou o seu limite nos compósitos PLA/GO quando comparados ao PLA puro nas concentrações mais baixas e redução na deformação para a composição PLA/GO com 0,3%. Esse resultado corrobora com a hipótese já levantada sobre a presença de agregados que criaram pontos de fragilização fazendo com que a ruptura ocorra em deformações menores. Para os compósitos onde há presença de HA essa analise se mantém.

Figura 17 - (a) Deformação máxima do PLA puro e dos compósitos PLA/GO, (b) deformação máximados compósitos PLA/HA e PLA/HA/GO

(a)

A compilação dos resultados indica que a presença do GO tanto na matriz pura de PLA quanto no compósito PLA/HA melhora significativamente o desempenho mecânico dos materiais. Aqui vale lembrar, que o melhor resultado foi para 0,05% em massa de GO, que comparado com concentrações usadas em outros sistemas polímero/carga é muito inferior, e os ganhos já são bastante significativos (GOJNY et al., 2004). No caso do GO, diferente de outras cargas tradicionais, verifica-se que existem ganhos tanto em tensão quanto em deformação, elevando a tenacidade do material.

As medidas dos ângulos de contato conduzem as informações referentes às propriedades superficiais dos compósitos, como seu caráter hidrofílico e hidrofóbico. Os resultados das medidas de ângulo de contato estão apresentados nas Figuras 18 e 19. O PLA é um polímero apolar de baixa energia de superfície, o que dificulta sua molhabilidade. Em aplicações como as biomédicas o aumento da hidrofilia da superfície e redução no ângulo de contato viabiliza o crescimento celular (ZHENG et al., 2015). Estudos indicam que o ângulo de contato ideal para a adesão celular encontra-se entre 60º e 70º entre a superfície do bio-implante e a água (GENTLEMAN, 2014).

Com a incorporação do GO, torna-se evidente a redução no ângulo de contato em relação a água na concentração de 0,05%, o que acarreta na melhoria da molhabilidade e permite uma interação com fluídos aquosos o que auxilia na taxa de adesão celular em ambientes biológicos. Porém com o aumento da concentração da partícula, o ângulo de contato volta a valores mais altos evidenciando mais uma vez que a eficiência da modificação de propriedade se dá em baixíssimas proporções mássicas de GO. Provavelmente, ao aumentar a concentração de GO, as interações partícula-partícula aumentam, e o efeito na matriz polimérica devido a presença do GO não é tão fortemente observado. Nos resultados de propriedades mecânicas, verificou-se que concentrações mais elevadas podem ter levado a presença de aglomerados, o que corroboraria com a hipótese aqui levantada. Quando a HA é adicionada, o ângulo de contato em relação a água também cai quando comparamos o compósito PLA/HA com o PLA Puro. Ao incorporarmos o GO aos compósitos PLA/HA a mesma tendência anteriormente vista é observada, ocorre aqui um sinergismo entre GO e HA. Na proporção de 0,05% no PLA/HA o ângulo de contato é o menor de todos os valores (média de 67º), entretanto, esse valor volta a aumentar nas amostras com 0,1 (84º) e 0,3% (88º) de GO. Portanto nas condições analisadas a melhor composição foi alcançada foi no compósito PLA/HA/GO 0,05%.

Figura 18 – Valores de ângulo de contato para água e etileno glicol do PLA puro e compósitos.

Outro fator que demonstra a melhoria das propriedades superficiais é o aumento, principalmente da componente polar da energia de superfície (Figura 19). O PLA puro apresenta energia de superfície de aproximadamente 38 mJ.m-2 com uma participação muito baixa da componente polar, cerca de 1,5 mJ.m-2. A grande contribuição dispersiva em suas propriedades superficiais deve-se ao fato da alta quantidade de grupamentos CH3 determinando

assim grande caráter hidrofóbico (THAM et al., 2014). Quando incorporada a HA, a energia de superfície decresce, porém, a polaridade aumenta devido ao caráter hidrofílico da HA (GRENHO et al, 2012). Provavelmente ocorrem interações dos grupos polares da HA com a superfície externa. O compósito PLA/GO demonstrou um efeito parecido, porém foi necessária uma quantidade bem menor da carga GO para produzir o mesmo efeito da HA. O GO possui também caráter hidrofílico decorrente dos grupos oxigenados presentes em sua superfície (DIMIEV; EIGLER, 2017). No compósito PLA/HA/GO a porção polar se elevou ainda mais, o que demonstra efeito sinérgico de aumento de polaridade das cargas HA e GO.

Novamente, a composição com melhor indicação a produção do compósito PLA/HA/GO que atende as necessidades levantadas é a com 0,05% de GO. Além das excelentes propriedades mecânicas, essa composição também apresenta as melhores propriedades de superfície indicadas para uso como bio-implante.

Com o intuito de ajustar os parâmetros para o processamento por FDM o ensaio de temperature sweep foi realizado, comparando os materiais obtidos neste trabalho com um filamento de PLA comercial (CLIEVER®_{) comumente utilizado para este tipo de}

processamento. Constatou-se diferentes comportamentos reológicos tanto do PLA puro como dos compósitos ao se comparar com o material comercial frente a variação de temperatura e, portanto, para cada material as condições de processamento precisam ser cuidadosamente avaliadas. Em posse dos resultados dos ensaios reológicos identificou-se a melhor temperatura para o processamento de cada compósito em condições de viscosidade próximas a aquelas utilizadas comercialmente. O processamento deve ocorrer de forma que o material apresente boa fluidez ao escoar pelo bico do extrusor, e rapidamente se solidifique ao ser depositado (GIBSON; ROSEN; STUCKER, 2014). Isso leva a conclusão de que para um processamento adequado o módulo de perda G” (componente ligada ao comportamento viscoso do material) deve ser aproximado ao do PLA comercial. As Figuras 20 (a) e (b) apresentam as curvas de G’ e G” em função da temperatura para o PLA comercial e PLA puro.

Figura 20 - Curvas reológicas (a) G’ em função de temperatura do PLA comercial e PLA puro (b) G” em função de temperatura do PLA comercial e PLA puro.

(a)

(b)

Ao se ensaiar o PLA puro nota-se que este somente se assemelha ao PLA comercial em temos de G” quando é submetido a temperaturas mais baixas do que o material comercial indicando que para que ocorra o processamento por FDM do PLA utilizado deve-se utilizar temperaturas mais baixas.

As Figuras 21 (a) e (b) apresentam curvas de G’ e G” em função da temperatura, respectivamente, para o PLA comercial e compósitos PLA/GO. Nota-se que tanto o comportamento viscoso quanto o comportamento elástico dos compósitos PLA/GO não se

assemelha ao PLA comercial o que nessas condições dificulta muito o processamento. Para alcançarmos comportamentos similares ao do PLA comercial seria necessária uma redução de temperatura abaixo da Tm dos compósitos PLA/GO o que torna inviável sua utilização no processamento por FDM.

Figura 21 (a) - Gráfico G’ em função da temperatura (ºC) do PLA comercial e compósitos PLA/GO e 31 (b) Gráfico G” em função da temperatura (ºC) do PLA comercial e compósitos

PLA/GO.

(a)

As Figuras 22 (a) e (b) apresentam curvas de G’ e G” em função da temperatura, respectivamente, para o PLA comercial e compósitos PLA/HA e PLA/HA/GO. Quando a HA é incorporada os módulos G’ e G” se aproximam daqueles verificados no compósito comercial, demonstrando um aumento na resistência ao fluxo propiciado pela HA o que torna viável a aplicação dos compósitos PLA/HA e PLA/HA/GO no processamento por FDM.

Figura 22 (a) - Gráfico G’ em função da temperatura (ºC) do PLA comercial e PLA/GO e (b) Gráfico G” em função da temperatura (ºC) do PLA comercial e PLA/GO.

(a)

Entretanto cada compósito demonstrou peculiaridades no comportamento térmico, culminando na necessidade da utilização de condições distintas de processamento para cada compósito. Esse ensaio também possibilitou cruzar os dados de G” e temperatura para a definição das temperaturas que deveriam ser aplicadas aos compósitos para que seu comportamento durante o processamento fosse o mais parecido possível com aquele apresentado pelo PLA comercial.

Em todos os casos para aproximar o comportamento viscoelástico dos materiais desenvolvidos neste trabalho com o material comercial é necessário abaixar consideravelmente a temperatura de processamento. Esse fato relaciona-se a questões como massa molar do polímero, cristalinidade e quantidade de carga empregada em cada material.

Para uma análise mais aprofundada das questões de processamento por FDM, foram realizados ensaios reológicos de viscosidade versus taxa de cisalhamento no regime rotacional. As propriedades reológicas do PLA já foram investigadas amplamente usando uma variedade de caracterizações reológicas. Semelhante à maioria dos polímeros termoplásticos o PLA exibe comportamento newtoniano em baixas taxas de cisalhamento (<10 s-1). Ao aumentarmos a taxa de cisalhamento (>10 s-1_{), o PLA normalmente exibe comportamento pseudoplástico.}

As Figuras 23 e 24 apresentam as curvas reológicas de ƞ em função da taxa de cisalhamento (s-1_{) para o PLA comercial, PLA puro e dos compósitos PLA/HA e PLA/HA/GO.}

Uma informação bastante importante pode ser verificada de que a inserção de GO conduziu a valores de viscosidade inferior ao PLA puro nas taxas de cisalhamento mais altas, induzindo que ocorreu um processo de lubrificação. Contudo todos os materiais PLA ou PLA/GO exibiram viscosidade muito mais baixa do que o PLA comercial comprovando a inviabilidade do uso de tais materiais no processamento por FDM.

Figura 23 - Gráfico de ƞ em função da taxa de cisalhamento (1/s) do PLA comercial, compósitos PLA/HA e PLA/HA/GO.

Figura 24 - Gráfico de ƞ em função da taxa de cisalhamento (1/s) do PLA comercial, compósitos PLA/HA e PLA/HA/GO.

Com a adição da HA os valores de viscosidade dos compósitos aproximaram-se daquela exibida pelo material comercial e também demonstraram comportamento similar frente as variações na taxa de cisalhamento na faixa estudada. O compósito que mais se aproximou foi o

PLA/HA/GO com 0,05%, seguido do PLA/HA/GO com 0,3%, PLA/HA/GO 0,1% e PLA/HA. Vale lembrar de que a intenção dos ensaios reológicos apresentados neste trabalho é melhorar o processamento dos materiais na impressora FDM para a obtenção dos scaffolds e por esse motivo cada ensaio reológico rotacional foi realizado em temperatura diferente baseada nos dados obtidos no ensaio de temperature sweep. Finalmente a compilação dos resultados reológicos demonstrou a viabilidade de processamento apenas nos compósitos PLA/HA e PLA/HA/GO.

Os resultados de potencial Zeta estão apresentados na Figura 25. O potencial Zeta é calculado com base no potencial de transmissão ou corrente de transmissão que é gerada pela concentração de fluxo de uma solução eletrolítica ao longo ou através de uma superfície sólida. Como resultado da interação, a carga superficial da amostra é compensada pelos contra-íons presentes na solução eletrolítica. O fluxo do eletrólito através do canal força os íons a se moverem em direção ao sentido do fluxo, o que resulta em separação de carga entre duas extremidades do canal. Os resultados obtidos indicam um comportamento muito similar entre o PLA puro e o PLA/HÁ, principalmente na faixa de pH próximo a 7,0. Para as amostras contendo GO, verifica-se que existe um pequeno decaimento do pH nessa mesma região, especificamente para amostra contendo 0,05%, esse comportamento é bem mais significativo. Os dados obtidos por medidas de ângulo de contato, já indicavam a maio alteração em propriedades de superfície do PLA sob essas condições, e provavelmente, a concentração de 0,05% também alterou de forma significativa o potencial Zeta da superfície do PLA, na presença ou não da HA. Esse é um resultado preliminar, e muito deve ser explorado, principalmente, com medida de dupla camada elétrica pelo uso de diferentes tipos de eletrólistos, como por exemplo KCl, HCl e KOH. Com essas medidas, melhores inferência poderão ser tomadas a respeito da biocompatibilidade dos compósitos.

3.5 Processamento dos scaffolds por FDM

Utilizando os resultados dos ensaios reológicos, os parâmetros de impressão foram ajustados e o processo de impressão foi realizado. Nesta etapa somente foram processadas as formulações de PLA/HA/GO com 0,05%, 0,1% e 0,3%, pois o filamento compósito PLA/HA exibiu comportamento extremamente frágil (efeito de sua baixa tenacidade em relação aos compósitos onde há presença de GO), quebrando no cabeçote todas as vezes que foi inserido, e os demais materiais (PLA e Compósitos PLA/GO) não apresentaram parâmetros reológicos compatíveis para serem utilizados na impressora. O processamento seguiu como apresentado na Tabela 5

Tabela 5 – Parâmetros de processamento utilizados na produção dos scaffolds.

Tais parâmetros foram ajustados no software CLIEVER STUDIO® _{(Figura 25) e as}

amostras foram processadas gerando os scaffolds.

A Figura 26 mostra o processamento dos scaffolds via FDM. A Figura 27, apresenta imagens dos scaffolds produzidos por FDM a partir dos compósitos processados, PLA/HA/GO 0,05%, PLA/HA/GO 0,1% e PLA/HA/GO 0,3%.

Figura 26 – Cabeçotes de impressão produzindo os scaffolds.

Figura 27 – Scaffolds produzidos por FDM a partir dos compósitos processados. PLA/HA/GO 0,05%, (b) PLA/HA/GO 0,1% e (c) PLA/HA/GO 0,3%.

A produção dos scaffolds baseados em compósitos PLA/HA/GO demonstrou-se viável, porém devem ainda ser realizados ensaios biológicos de crescimento celular e mineralização. Tais ensaios estão sendo realizados em colaboração com a Universidade Nacional de Cingapura, e com o grupo de pesquisa liderado pelo prof. Dr. Vinícius Rosa. Posteriormente os resultados desses ensaios serão avaliados e inseridos em publicações futuras.

CONCLUSÕES

O processo de produção do óxido de grafeno aplicado demonstrou eficiência, pois as evidencias da oxidação convergem para o aumento de espaçamento interlamelar das estruturas grafíticas, o que permitiu um bom rendimento durante a esfoliação sonoquímica. As cargas de biocerâmicas de HA que são utilizadas para tornar a biocompatibilidade viável reduzem a tenacidade e tensão na ruptura dos compósitos, o que a conduz a certa ineficácia em algumas aplicações, entretanto, com a adição de GO este problema é superado. Aqui vale ressaltar que com a menor concentração de GO adicionada (0,05%) foram obtidos os melhores resultados nas propriedades esperadas para aplicações biológicas, mais especificamente, propriedades mecânicas (tração) e propriedades de superfície dos compósitos PLA/HA. No caso da melhoria em propriedades mecânicas este fato ocorreu principalmente pelo sucesso no processo de produção dos compósitos via mistura no estado fundido, conduzindo a boa distribuição e dispersão de carga além de uma boa interface carga-matriz. No caso da última propriedade comentada, verifica-se o efeito do GO na capacidade de interação do compósito frente a líquidos polares (por exemplo: água, componente principal do sangue) o que pode elevar a biocompatibilidade dos materiais e acelerar os processos de adesão, proliferação e diferenciação celular. Quanto a processabilidade por FDM, os resultados demonstram que mesmo em baixas concentrações o GO facilita também seu processamento na impressora, atentando que sempre se faz necessário acertar os parâmetros reológicos para produzir peças com qualidade comparada ao PLA comercial. As propriedades do GO demonstram-se promissoras, e possivelmente estenderão a gama de aplicações dos biomateriais baseados em PLA/HA. Contudo ainda há muitos passos importantes a serem dados. A biocompatibilidade efetiva do GO ainda não é cientificamente comprovada, e estudos mais profundos de compatibilidade biológica devem ser realizados.

PUBLICAÇÕES GERADAS

MUNÕZ, P. A.R.; OLIVEIRA, C. F.P.; AMURIN, L. G.; RODRIGUEZ, C. L.C.; NAGAOKA, D. A; TAVARES, M. I. B.; DOMINGUES, S. H.; ANDRADE, R. J. E; FECHINE, G. J. M. Polymer/2D material nanocomposite manufacturing beyond laboratory frontiers, Arxiv: https://arxiv.org/abs/1710.03693, 2017

DE OLIVEIRA, CAMILA F. P.; MUÑOZ, PABLO A.R.; DOS SANTOS, MICHELLE C.C.; MEDEIROS, GABRIELA S.; SIMIONATO, AMANDA; NAGAOKA, DANILO A.; DE SOUZA, EUNÉZIO A. T.; DOMINGUES, SERGIO H.; FECHINE, G. J. M. Tuning of surface properties of poly(vinyl alcohol)/graphene oxide nanocomposites. POLYMER COMPOSITES, 2017.

FECHINE, G.J.M.; SIQUEIRA, A. S. Graphene oxide as a mechanical reinforcement filler for PLA/Hydroxyapatite composites In: Pan American Congress of Nanotechnology (PanNano-2017), 2017, Guarujá. Pan American Congress of Nanotechnology (PanNano-2017). , 2017. FECHINE, G. J. M.; DOMINGUES, S. H.; ANDRADE, R. E.; SOUZA, E. A.; AMURIN, L. G.; OLIVEIRA, C. P. F.; MUNOZ, P. A. R.; NAGAOKA, D. Large scale production of polymer-GO nanocomposites In: Graphene 2017, 2017, Barcelona. Graphene 2017. , 2017 FECHINE, G.J.M.; SIQUEIRA, A. S Surface properties of PLA/Hydroxyapatite/Graphene oxide composite In: XVI Brazilian MRS Meeting, 2017, Gramado. XVI Brazilian MRS Meeting. , 2017.

FECHINE, G. J. M.; DOMINGUES, S. H.; MUNOZ, P. A. R.; SIMIONATO, A.; MEDEIROS, G. S.; SANTOS, M. C. C. Polyvinyl alcohol/reduced graphene oxide (PVA/rGO) nanocomposite for multifunctional applications In: BCCM-3 – Brazilian Conference on Composite Materials, 2016, Gramado. BCCM-3. , 2016.

FECHINE, G.J.M.; OLIVEIRA, Camila de Paula Fernanda; MUNOZ, P. A. R.; SOUZA, E. A. Strategy to disperse graphene oxide (GO) into polymer matrix In: XV Simpósio Latino Americano de Polímeros, 2016, Cancún. XV SLAP. , 2016.

PUBLICAÇÕES EM ELABORAÇÃO

MUNÕZ, P. A.R.; OLIVEIRA, C. F.P.; AMURIN, L. G.; RODRIGUEZ, C. L.C.; NAGAOKA, D. A; TAVARES, M. I. B.; DOMINGUES, S. H.; ANDRADE, R. J. E; FECHINE, G. J. M. Polymer/2D material nanocomposite manufacturing beyond laboratory frontiers. A ser submetido a Materials Horizons.

SIQUEIRA, A. S.;; OLIVEIRA, C. F.P; MUNÕZ, P. A.R.; FECHINE, G.J.M. Composites based on PLA, hydroxyapatite and graphene oxide: Processing and characterization. A ser submetido a Polymer Testing.

SIQUEIRA, A. S.;; OLIVEIRA, C. F.P; MUNÕZ, P. A.R.; FECHINE, G.J.M. High performance scaffolds based on PLA, hydroxyapatite and graphene oxide obtained by Fused Deposition Modeling. A ser submetido a Applied Materials & Interfaces.