AVALIAÇÃO ESTATÍSTICA E EXPERIMENTAL DA RESISTÊNCIA MECÂNICA DE BIOCIMENTOS DE FOSFATO DE CÁLCIO
INCORPORADOS COM FÁRMACO
Albuquerque, J. S. V.; Lourenço, E. R. A.;Sancho, E. O.; Duarte, E. B.; Silva, S. A.; Texeira, J. M. C.; Nogueira, R. E. F. Q.
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza (CE), Brasil.
e-mail: svalbuquerque@gmail.com
RESUMO
Os biocimentos, à base de fosfato de cálcio, constituem atualmente um dos mais importantes grupos de substitutos ósseos injetáveis e podem ser utilizados como matriz para liberar substâncias ativas no corpo humano, como antibióticos. Uma das formas de fazer uso racional e efetivo dos antibióticos é precisamente sua administração local e controlada. Neste trabalho, foi avaliado o comportamento mecânico dos biocimentos de fosfato de cálcio, sob a forma pura ou combinada com sulfato de cálcio di-hidratado e ampicilina. Os dados obtidos foram sujeitos a tratamento estatístico. Os resultados mostraram que o fármaco causou um efeito negativo sobre a resistência para biocimentos com sulfato de cálcio. Esse comportamento, provavelmente, está associado com alguma interação desconhecida entre o aditivo (CSD) e o fármaco (Ampicilina). Palavras-chaves: biocimento, enxerto ósseo, fármaco.
INTRODUÇÃO
Diversos estudos da engenharia tecidual têm focado nas vantagens e possibilidades que os sistemas de liberação de fármacos podem oferecer a biomedicina. Estes sistemas funcionam por meio da incorporação de fármacos em uma estrutura que servirá como arcabouço para a liberação da droga localmente. Esta tecnologia permite a liberação da droga diretamente nos tecidos alvo, provocando uma menor quantidade de efeitos adversos e overdose, já que é necessária uma quantidade e concentração inferiores do medicamento para a sua eficácia (1).
Os estudos de biomateriais sintéticos aplicados a sistemas biológicos trazem inúmeros benefícios para a prevenção e tratamento de doenças, sobretudo aumentando a qualidade de vida da população (2).
Os estudos sobre as biocerâmicas com base nos fosfatos de cálcio têm produzido avanços tecnológicos significativos, em especial no que tange à liberação controlada de fármacos no tratamento não invasivo de diversos tipos de infecções (3).
A possibilidade de utilizar biocimentos de fosfato de cálcio como veículo de liberação de fármacos representa uma alternativa para o tratamento de enfermidades, como tumores ósseos, osteoporose e osteomielite, que habitualmente requer terapias longas e dolorosas.
Os estudos de incorporação de fármacos em biocimentos de fosfato de cálcio apresentam vários aspectos. Em primeiro lugar é necessário verificar se a adição do fármaco, em fase líquida ou sólida, não modifica suas propriedades físico-químicas, tanto em nível de pega e endurecimento como em seu comportamento reológico. Em segundo lugar é necessário descrever a cinética de liberação do fármaco in vitro. Em terceiro é necessário estudar a efetividade da matriz para atuar como veículo de dispersão do fármaco in vivo (4).
Diante do exposto, esse trabalho visa o estudo do comportamento mecânico dos biocimentos de fosfato de cálcio, sob a forma pura ou combinada com sulfato de cálcio di-hidratado e ampicilina.
MATERIAL E MÉTODOS
O principal desafio na preparação do biocimento foi à determinação adequada de uma relação líquido/pó que não comprometesse a cura do biocimento. Aditivos podem ser utilizados para reduzir a quantidade de líquido necessária para a obtenção de uma pasta com viscosidade ideal para sua utilização como cimento. Os parâmetros utilizados foram manuais e visuais, procurando-se obter uma pasta coesa, porém não líquida, possibilitando a moldagem dos corpos de prova. A relação considerada ideal foi de 0,8 mL/g, dentro dos valores encontrados na literatura (5).
cálcio di-hidratado (CSD) por provocar um retardamento no tempo de endurecimento do cimento, de acordo com a literatura (5).
Os biocimentos foram obtidos adicionando à fração de aditivo correspondente a formulação a ser ensaiada 0%, 10%, 30% e 50% em um almofariz de ágata contendo pó (β-fosfato tricálcio sintetizado no Laboratório de Biomateriais da Universidade Federal do Ceará). Logo após, realizou-se a homogeneização manual da mistura, com auxilio de uma espátula, para se obter a melhor dispersão e distribuição do sulfato de cálcio no fosfato de cálcio, por um período de tempo de 30 segundos. Em seguida, a mistura foi transferida para um becker onde foi adicionado o liquido (solução 2 M de ácido fosfórico).
Após 3 minutos, a mistura resultante foi transferida para moldes de polímero Teflon® em formato de cilindros com 16 mm de altura e 12 mm de
diâmetro. Os corpos-de-prova foram desmoldados após 24 horas de pega e deixados em temperatura ambiente.
Os biocimentos incorporados com fármacos foram preparados adicionando ampicilina em quantidade equivalente a 1% do peso total da amostra na pasta resultante da mistura solido-liquido. Em seguida, foi feita uma nova homogeneização com auxilio de uma espátula de aço inoxidável. Posteriormente, a pasta foi transferida para os moldes onde ficaram 24 horas em temperatura ambiente para secar. Decorrido este tempo, as amostras foram desmoldadas e acondicionadas em frascos plásticos.
A ampicilina foi o fármaco escolhido neste trabalho em virtude de sua conhecida utilização no tratamento de infecções causadas por bactérias gram-negativas suscetíveis (por exemplo, Haemophilus influenzae, Neisseria gonorrhoeae, Neisseria meningitides, Escherichia coli, Proteus mirabilis, Salmonella sp.).
A resistência mecânica dos biocimentos e dos biocimentos incorporados com droga foi determinada pelos ensaios de resistência à compressão diametral. As amostras foram preparadas em lotes de 3 (cada) e ensaiadas após pega de 24 horas. Os testes foram realizado em um equipamento universal, marca Instron, modelo 4443, com velocidade de 1 mm/min.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os biocimentos de fosfato tricálcico foram sintetizados em laboratório utilizando-se a metodologia reportada na literatura (5 - 6). Para a obtenção da
quantidade total de biocimento de fosfato de cálcio necessária para a confecção de todos os corpos-de-prova repetiu-se esta metodologia. Para facilitar a análise dos resultados das diferentes formulações propostas neste trabalho, as mesmas foram nomeadas segundo as iniciais do nome biocimento e biocimento com fármaco seguido de dois dígitos numéricos correspondentes à sua respectiva fração em massa de aditivo incorporado (sulfato de cálcio dihidratado), ou seja, BC-00, BC-10, BC-30, BC-50, BCF-00, BCF-10, BCF-30 e BCF-50.
Resistência à compressão diametral dos biocimentos sem o fármaco As principais medidas dos ensaios mecânicos estão relacionadas na Tabela 01. Os dados referem-se à resistência ao teste de compressão diametral (MPa) para cada um dos quatro tratamentos estudados.
Tabela 01. Médias e desvio padrão dos resultados de resistência à compressão diametral dos quatro tratamentos.
Tratamentos (%) Resistência Média Desvio Padrão
0 0,59333 0,05033
10 1,08333 0,03512
30 1,50667 0,06506
50 1,43 0,09165
O gráfico da Figura 01 apresenta a resistência à compressão diametral das diferentes formulações, com relação à fração dos aditivos incorporados nos tratamentos.
0 10 30 50 0,5 1,0 1,5 Te ns مo L im ite d e R es is tê nc ia (M P a) Aditivo (%) Média
Figura 01. Ensaio de resistência à compressão diametral dos biocimentos sem o fármaco.
Pode-se observar que um aumento no teor de aditivo na massa gera um inicial aumento da resistência, até que seja atingido um limite (cerca de 30%), quando começa a decair.
A redução da resistência à compressão da formulação com 50% de sulfato de cálcio pode ser explicada devido ao aumento de porosidade, associada à maior quantidade de líquido na preparação. Este resultado é ratificado pelo modelo matemático proposto por Knudsen (7), segundo o qual a
resistência mecânica dos materiais cerâmicos diminui exponencialmente com a elevação do nível de porosidade. A presença de poros em maior quantidade e com diferentes morfologias favorece o surgimento de defeitos em sua vizinhança como, por exemplo, microtrincas. Incorporadas durante o processamento, as microtrincas agem como concentradores de tensões e, ao serem submetidas a esforços mecânicos, se propagam até atingirem um tamanho critico, quando então, ocasionam a fratura da amostra.
Resistência à compressão diametral dos biocimentos incorporados com fármacos.
As principais medidas dos ensaios mecânicos estão relacionadas na Tabela 02. Os dados referem-se à resistência ao teste de compressão diametral (MPa) para cada um dos quatro tratamentos estudados.
Tabela 02. Médias e desvio padrão dos resultados de resistência à compressão diametral dos quatro tratamentos.
Tratamentos (%) Resistência Média Desvio Padrão
0 0.63 0,06
10 0,73 0,14
30 0,98333 0,045092
50 1,113333 0,161658
O gráfico da Figura 02 apresenta a resistência à compressão diametral das diferentes formulações, com relação à fração dos aditivos incorporados nos tratamentos. Pode-se observar que o teor de fármaco (1%) incorporado aos biocimentos não provocou um decréscimo na resistência mecânica acima de 30%, comparado com o biocimento sem o fármaco.
0 10 30 50 0,6 0,9 1,2 Te ns مo L im ite d e R es is tê nc ia (M Pa ) Aditivo (%) Média
Para averiguar a influência da incorporação de fármaco sobre a resistência mecânica dos biocimentos com e sem fármaco, foi plotado o gráfico de resistência à compressão diametral (Figura 03).
0 10 20 30 40 50 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 BC BCF Te ns مo L im ite d e R es is tê nc ia (M P a) Aditivo (%)
Figura 03. Comparação entre a resistência à compressão diametral dos biocimentos BC e BCF.
Os resultados obtidos dos ensaios mostraram que a ampicilina causou um efeito negativo sobre a resistência à compressão diametral para os biocimentos com 10%, 30% e 50% de sulfato de cálcio di-hidratado. Esse comportamento, provavelmente, está associado com alguma interação desconhecida entre o aditivo e o fármaco utilizado. Porém, o biocimento BCF-00 teve um aumento de resistência em torno de 6,78% comparado com a amostra BC-00.
Segundo a literatura (8) a incorporação de fármacos nos reagentes que
constituem as fases líquidas e sólidas dos biocimentos modificam suas propriedades físicas e mecânicas. Em geral, a incorporação de antibióticos em biocimentos de apatitas produz um aumento do tempo de pega e uma redução na resistência à compressão diametral.
Takechi e colaboradores estudaram o efeito da incorporação de flomoxef sódio em diferentes concentrações na fase sólida do biocimento TCCP – DCPA. Foi observado que a resistência mecânica do biocimento diminui consideravelmente com o aumento da quantidade de antibiótico adicionado. Esta redução foi atribuída a aumento da porosidade e a certa inibição da reação de pega do biocimento. Como também a presença de reagentes com o
aumento da quantidade de antibióticos incorporados.
Bohner e colaboradores estudaram a incorporação de sulfato de getamicina em biocimento de brushita (DCPD), a adição de 3 a 16% de antibiótico modificou as propriedades reológicas e mecânicas do biocimento, aumentando o tempo de pega e a resistência mecânica, devido à presença de íons sulfato no antibiótico (9).
Nachiondo e colaboradores estudaram o efeito da adição de sulfato de gentamicina em um biocimento de fosfato de cálcio não especificado. A presença de 0,15% de antibiótico não alterou o tempo de pega, a força de compressão nem a injetabilidade, mas 3,3% de antibiótico modificou a resistência do biocimento (10).
CONCLUSÕES
Os resultados de resistência à tração por compressão diametral das diferentes composições de biocimentos obtida através da média aritmética das resistências apresentaram-se coerentes, podendo-se concluir que o fármaco presente no biocimento com sulfato de cálcio influência diretamente sobre as propriedades mecânicas. Mais estudos sobre incorporação de ampicilinas em biocimentos de fosfato de cálcio são necessários com o objetivo de investigar possíveis alterações em outras propriedades pertinentes ao material. Assim, essas composições de biocimentos às credenciam para uso em locais onde a solicitações por carga sejam menores, em especial, para o preenchimento de cavidades ósseas, no reparo de defeitos e fraturas.
AGRADECIMENTOS
A CAPES pelo suporte ao projeto. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1)HABRAKEN W, WOLKE, J. G. C., JANSEN, J. A. Ceramic composites as matrices and scaffolds for drug delivery in tissue engineering. Advanced Drug Delivery Reviews, 59, 234 – 48, 2007.
(2)ELLIOTT, J. C. Recent studies of apatites and other calcium orthophospates. Calcium Phosphate Materials, Fundamentals. Monpellier, Special Edition: Sauramps Medical, 1998, p. 25.
(3)ZHOU, H.; LEE, J. Nanoscale hydroxyapatite particles for bone tissue engineering. Acta biomaterialia, v. 7, n. 7, p. 2769-81, 2011.
(4)REGÍ, M. V.; VILLAREJO, A. L. D. Liberación de fármacos en matrices biocerámicas: avances y perspectivas. 2006, Instituto de España, Real Academia Nacional de Farmacia – Monografia XIX.
(5)BOHNER, M.; LEMAÎTRE, J.; VAN LANDUYT, P.; ZAMBELLI, P. Y.; MERKLE, H. P.; GANDER, B., Gentamicin-loaded hydraulic calcium phosphate bone cement as antibiotic delivery system. J. Pharm. Sci. 86, 5: 565-572, 1997a.
(6)CARRODÉGUAS, R. G. Cementos óseos de fosfatos de cálcio. 2000. Tesis (Doctorado), Centro de Biomateriales, Universidade de la Habana. Habana, Cuba.
(7)SANTANA, J. G. A., Desenvolvimento de Cerâmicas Multicamadas de Carbeto de Silício Destinadas a Aplicações Térmicas. Tese para a obtenção do titulo de Doutor em Engenharia Mecânica na área de Projetos e Materiais, Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratingueta, Universidade Estadual Paulista, 2010.
(8) RATIER, I.R. GIBSON, S.M. BEST, M. FRECHE, J.L. LACOUT, F.
RODRÍGUEZ (2001): Behaviour of a calcium phosphate bone cement containing tetracycline hydrochloride or tetracycline complexed with calcium ions. Biomaterials, 22, 897-901.
(9)BOHNER, M.; VAN LANDUYT, P.; MERKLE, H. P.; LEMAITRE, J.,
Composition effects on the pH of a hydraulic calcium phosphate cement. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, v. 8, p. 675-681, 1997b. (10)NACHIONDO, J. M.; POSER, R. D.; GOODMAN, S. B.; CONSTANTZ, B. R., Antibioitic impregnation of a resorbable calcium phosphate cement. En: Proceedings of the 20th Annual Meeting of the Society for Biomaterials, Boston, p. 146, 1994.
STATISTICAL AND EXPERIMENTAL EVALUATION OF MECHANICAL STRENGTH OF BIOCEMENTS CALCIUM PHOSPHATE INCORPORATED
WITH DRUG ABSTRACT
The calcium phosphate-based biocements, currently constitute the most important group of injectable bone substitutes and can be used as a matrix to release active substances in the human body, such as antibiotics. The rational and effective use of antibiotics requires a precise location and controlled administration. In this work, the mechanical behavior of calcium phosphate biocements was evaluated, in original form or combined with calcium sulfate dihydrate and drug. Data were subjected to statistical analysis. The results showed that the drug had a negative effect on the resistance to biocements with calcium sulfate. This behavior is probably associated with some unknown interaction between the additive (CSD) and the drug (ampicillin).
