1 UNIVERSIDADE DO VALE DO PARAÍBA - UNIVAP
FACULDADE DE ENGENHARIAS, ARQUITETURA E URBANISMO– FEAU CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
AVALIAÇÃO QUANTO ÀS PROPRIEDADES DE CIMENTO DE ALUMINATO DE CÁLCIO VISANDO APLICAÇÃO NA ENDODONTIA
Emily Lewer Azedias Talita Luana de Andrade
Profa. Dra. Ivone Regina de Oliveira Orientadora
São José dos Campos, SP Dezembro de 2014
2 RESUMO
O cimento de aluminato de cálcio (CAC) tem sido estudado visando preservar as propriedades positivas dos materiais correntes nas áreas de endodontia, permitindo que suas aplicações possam ser estendidas, superando as desvantagens apresentadas por esses materiais. Para um adequado desempenho do CAC, é necessário que o mesmo apresente propriedades que dizem respeito à bioatividade, resistência mecânica e radiopacidade. A bioatividade é definida pela capacidade do material em uma ligação estável com o tecido vivo através da deposição de hidroxiapatita quando em contato com solução simuladora de fluido corporal (SBF). A resistência mecânica à compressão é uma propriedade importante, uma vez que o material deve apresentar propriedades mecânicas suficientes para aplicação desejada. Outra propriedade fundamental é a radiopacidade, pois através dela é possível a investigação da qualidade do tratamento de canal ou a qualidade dos retro-obturadores. Sendo assim, o objetivo do trabalho foi avaliar as propriedades do CAC quanto ao pH e bioatividade na presença de SBF, preparado de acordo com a metodologia de Kokubo (KSBF) e Rigo (RSBF), avaliando-se as superfícies das amostras após contato com as soluções por meio das técnicas de MEV, EDS e DRX. Também foi avaliada a resistência à compressão do CAC na presença de diferentes aditivos, tais como fosfato de cálcio, microssílica, hidroxiapatita e zircônia e sua porosidade aparente de acordo com o teste de imersão (princípio de Arquimedes). Por fim a radiopacidade foi avaliada a fim de selecionar o melhor aditivo capaz de promover radiopacidade suficiente para os propósitos clínicos. Quanto à bioatividade, o CAC em RSBF atingiu altos níveis de pH, o que favoreceu a formação de hidroxiapatita estequiométrica [Ca5(PO4)3OH]. A adição de hidroxiapatita, alumina e zircônia promoveram o aumento da resistência à compressão e decréscimo da porosidade aparente do CAC. A mistura entre ZnO:Bi2O3 (15%:10%) permitiu obter uma radiopacidade adequada para fins clínicos.
Palavras-chaves: CAC. Bioatividade. Resistência Mecânica. Porosidade Aparente e Radiopacidade.
3 ABSTRACT
The Calcium aluminate cement (CAC) has been studied aiming to preserve the properties and clinic aplications of the current materials in the field of endodontic, allowing their implications to be extended, overcoming the disadvantages presented by these materials. For an adequate CAC performance, it’s necessary that it presents properties related to bioactivity, mechanical resistance and radiopacity. The bioactivity is defined by the material's capacity to form a stable binding with the living tissue through the deposition of hydroxyapatite when in contact with simulated body fluid solution (SBF). The mechanical resistance to compression is an important property, since the material must present enough mechanical properties for the desired application. Another key property is the radiopacity, because through it the investigation of the quality of the root canal treatment or the quality of the retro shutter is possible. Thus, the objective of this final paper was to evaluate the properties of the CAC regarding the pH and bioactivity in the presence of SBF, prepared according to the methodology of Kokubo (KSBF) and Rigo (RSBF), evaluating the surface of the samples after the contact with solutions through the techniques of MEV, EDS and DRX. The resistance of the CAC to compression was also evaluated in the presence of different additives, such as calcium phosphate, microssilica, hydroxyapatite and zirconium and its apparent porosity according to the immersion test (Archimedes’s principle). Finally radiopacity was evaluated in order to select the best addictive capable of producing enough radiopacity for clinical purposes. As for bioactivity, the CAC in RSBF reached high levels of pH, which stimulated the formation of hydroxyapatite stoichiometric [Ca5(PO4)3OH]. The addition of hydroxyapatite, alumina and zirconium increased the resistance to compression and decreased the apparent porosity of the CAC. The mixture of ZnO:Bi2O3 (15%:10%) afforded adequate radiopacity for clinical purposes.
4 INTRODUÇÃO
O cimento de aluminato de cálcio (CAC) é o ligante hidráulico mais utilizado em concretos refratários com a finalidade de obter um material com propriedades superiores em relação à resistência mecânica, térmica e química, e de elevada pureza[1].
As principais características do CAC como ligante hidráulico é o fato de ter baixo custo e de apresentar propriedades refratárias como resistência mecânica e alta resistência a agentes corrosivos[2,3].
A produção comercial do CAC ocorre através de um processo de calcinação de uma mistura de Al2O3 e CaCO3, a temperaturas entre 1315 e 1425°C. O aluminato de cálcio formado é resfriado e então moído na granulometria desejada. De uma forma geral a formação do CAC pode ser descrita por meio da seguinte reação química (Equação A).
CaCO3 + Al2O3 Ca(AlO2)2 + CO2 (A)
Apesar da simplicidade da reação química descrita acima, a formação do CAC ocorre de uma maneira complexa. No início do processo de fusão da mistura formam-se fases cristalinas de aluminatos com altos teores de Ca. Com o aumento da temperatura mais CaO e Al2O3 reagem com os primeiros produtos formados, produzindo outras fases com menores teores de Ca[4].
Neste processo, a quantidade e o tipo de fase cristalina do aluminato de cálcio formado depende da razão entre CaO e Al2O3 na mistura, da temperatura alcançada e do procedimento de resfriamento do material obtido.
Apesar do grande número de fases possíveis, o CAC comercial é constituído geralmente por três fases principais, as quais são responsáveis pelo seu processo de pega hidráulica[5,6]: a fase estequiométrica, CA, que constitui cerca de 40 a 70 % em peso do cimento obtido; a fase CA2, que é a segunda em proporção (> 25%) e a fase C12A7, que constitui entre 1 e 10% dos cimentos comerciais.
O processo de hidratação do cimento inicia-se quando a água entra em contato com a superfície das suas partículas, sendo esta etapa descrita pela seguinte equação química:
5 Os íons Al (OH)4-, formados na reação descrita pela Equação (B) comportam-se como uma base, sendo que, uma pequena parte deles se dissocia em íons Al3+ e OH-, estabelecendo um equilíbrio.
A ocorrência destas reações químicas provoca a dissolução das fases anidras que compõem o CAC, proporcionando um aumento das concentrações dos íons Ca2+ e Al(OH)4 -em solução. Este processo continua até que um estado de saturação, -em relação à dissolução do cimento, seja alcançado. Desta forma, o processo atinge um equilíbrio químico e a dissolução do cimento é interrompida. No entanto, a solubilidade dos produtos da reação desses compostos com a água (chamados de hidratos de aluminato de cálcio) é menor do que das suas fases anidras[7].Por esse motivo, existe uma tendência natural para que ocorra a precipitação desses hidratos formados[3].
Esse mecanismo pode ser esquematicamente representado através do ciclo de Le Chatelier, mostrado na Figura 1. Esse ciclo representa a contínua dissolução do cimento anidro e a precipitação dos hidratos formados que prossegue até que todas as partículas do cimento anidro, em contato com a água, sejam consumidas[3].
Figura 1- Ciclo de Le Chatelier para a reação de hidratação do CAC (baseado na referência [5]).
Recentes estudos vêm apontando o CAC como um biomaterial reparador[8] visando preservar as propriedades positivas e aplicações clínicas dos materiais correntes nas áreas de endodontia permitindo que suas aplicações possam ser estendidas, superando as desvantagens apresentadas por esses materiais. O cimento de aluminato de cálcio também tem sido estudado como um cimento reparador em defeitos ósseos[9].
6 A endodontia é a especialidade da odontologia que estuda a parte interna dos dentes (câmara coronária, canal, regiões periapical e radicular), a qual se depara frequentemente com alterações patológicas com prognóstico clínico muitas vezes duvidoso ou mesmo inexequíveis ao tratamento de canais radiculares convencional[10]. A perda do dente pode causar grandes implicações como nos aspectos estéticos e psicológicos, mas também no aspecto funcional, em razão disso faz-se necessário a busca por materiais reparadores que evitem tal acontecimento.
O CAC apresenta-se como um pó de coloração branca (próxima da estrutura dentária), cujo teor de ferro em nível de traços não conduz ao escurecimento dos dentes, ao contrário do que se verifica em casos clínicos nos quais o material reparador de maior aceitação no mercado MTA (Mineral Trioxide Aggregate) é utilizado como material obturador[5]. Também são mínimos os teores dos óxidos de magnésio e de cálcio livres na composição do CAC, aos quais frequentemente se associam indesejadas expansões quando expostos à umidade. Outra vantagem do CAC consiste no reduzido tempo de pega com auxílio de aditivos aceleradores. Além disso, os estudos envolvendo o desenvolvimento da composição do CAC para endodontia tem resultado em melhor fluidez, melhores condições de trabalhabilidade, quando comparado ao MTA[8].
Visando um melhor desempenho do CAC nas áreas de odontologia, é necessário ainda estudar outras propriedades como bioatividade, resistência mecânica e radiopacidade.
Um material bioativo é definido como aquele que promove uma resposta específica na interface do material o que resulta na formação de uma ligação entre o tecido e o material. Estes materiais apresentam a capacidade de criar uma ligação química interfacial com o tecido vivo, uma ligação que é frequentemente tão forte ou mais forte do que o osso[11].
A bioatividade in vitro é definida como a capacidade de um material gerar apatita sobre a sua superfície quando submersa em uma solução simuladora de fluido corporal (SBF). A solução SBF é uma solução de sais inorgânicos compostos para imitar a composição e concentração iônica do plasma sanguíneo. A determinação da bioatividade in vitro de um material é o primeiro passo na determinação se um material é ou não bioativo in vivo, isto é, quando implantado no corpo[12].
As propriedades mecânicas são necessárias para um desempenho adequado do material, uma vez que o mesmo deve resistir aos esforços de mastigação ao longo do tempo de vida útil da restauração, por exemplo. A concentração localizada de tensões pode ser o sítio inicial de falhas do cimento. A microfratura do cimento pode levar à microinfiltração,
7 ingresso de bactérias, bem como ao deslocamento da restauração. A resistência mecânica à compressão é uma das propriedades de grande importância a ser considerado quando um material reparador é colocado em uma cavidade que irá sofrer pressão oclusal, como preenchimento de canal do dente[13] ou quando usado como base restauradora. No caso da ortopedia, a resistência à compressão deve ser pelo menos similar ao tecido reparado.
Já a radiopacidade é uma propriedade importante para os materiais dentários, especialmente para os materiais obturadores ou retrobturadores. A radiopacidade possibilita a detecção de cáries e defeitos na restauração[14]. A maioria dos materiais usados em endodontia contem agentes radiopacos visando uma melhor observação do preenchimento do canal após um procedimento radiográfico e a evolução do tratamento com o tempo[15]. O material para preenchimento do canal deve apresentar radiopacidade para ser distinguido de estruturas anatômicas adjacentes tais como, osso e dente[16,17].
Sendo assim, o objetivo do trabalho foi:
• avaliar a bioatividade do cimento de aluminato de cálcio em contato com diferentes soluções simuladoras de fluido corporal;
• avaliar a influência de diferentes aditivos na resistência à compressão e porosidade aparente do CAC para selecionar os melhores aditivos a serem usados na composição mais adequada para aplicações nas áreas de endodontia e ortopedia;
• avaliar a influência de diferentes aditivos na radiopacidade a fim de obter um material que apresente radiopacidade para ser distinguido de estruturas anatômicas adjacentes ao mesmo tempo em que não prejudique suas propriedades mecânicas.
MATERIAIS E MÉTODOS
O material usado foi o cimento de aluminato de cálcio comercial (Secar 71, Kerneos) contendo aditivo dispersante a base de poliglicol (0.6 %-p, Bayer) e plastificante (2.8 %-p, CaCl2.2H2O, Labsynth) denominado como CAC homogêneo. Como material de referência utilizou-se o MTA branco (Angelus).
8 Esses materiais foram caracterizados quanto ao pH alcançado quando em contato com solução simuladora de fluido corporal. Foram preparadas suspensões aquosas de CAC comercial (75%-p de sólidos) e MTA (65%-p de sólidos) as quais foram vertidas nos moldes (10 mm de diâmetro x 5 mm de altura) e em seguida foram levados à estufa a 37 oC durante 24 horas em ambiente saturado. Após este tempo, as amostras foram desmoldadas como apresentado na Figura 2 e mantidas a 37oC em ambiente saturado durante 7 dias. Após esse período foram usadas nos ensaios de pH.
Figura 2: Pastilhas após o processo de cura.
Os ensaios consistiram em medidas de pH em 50 mL de solução simuladora de fluido corporal (SBF) em contato com as amostras, em função do tempo (até 21 dias). Foram utilizados um equipamento medidor de pH com sensor de temperatura individual com aquisição automática de dados.
A preparação das soluções simuladora de fluido corporal (SBF) seguiu procedimentos descritos na literatura por Kokubo e Rigo[18,19], como apresentado nas Tabelas I e II, respectivamente. A solução de Kokubo foi preparada com a temperatura controlada em 36,5oC enquanto a solução de Rigo foi preparada a temperatura ambiente. As soluções foram preparadas utilizando-se uma quantidade dos reagentes 1,5 vezes superiores (SBF 1,5) a concentração de íons (mM) inorgânicos presentes no plasma humano, a fim de acelerar a formação de hidroxiapatita.
9 Tabela I: Preparação de solução de fluido corporal simulado de acordo com Kokubo (1L).
Ordem Reagente SBF 1,5 #0 Água 750 ml #1 NaCl 11,994 g #2 NaHCO3 0,525 g #3 KCl 0,336 g #4 K2HPO4 0,288 g #5 MgCl2.6H2O 0,458 g #6 HCl 1M 60 ml #7 CaCl2.2H2O 0,507 g #8 Na2SO4 0,107 g #9 (CH2OH)3CNH2 9,086 g
#10 HCl 1M Necessária para ajuste do pH 7.25
Tabela II: Preparação de solução de fluido corporal simulado de acordo com Rigo (1L).
Ordem Reagente SBF 1,5 #0 Água 400mL #1 NaCl 11,992g #2 KCl 0,335g #3 K2HPO4 0,261g #4 NaHCO3 0,529g #5 Na2SO4 0,107g #6 HCl 0,1M 15mL #7 CaCl2.2H2O 0,551g #8 MgCl2.6H2O 0,458g #9 HCl 0,1M [(CH2OH)3CNH2] 0,05 M Necessária para ajuste do pH 7.25
Os ensaios de bioatividade consistiram em colocar as pastilhas preparadas como descrito acima em contato com as soluções simuladoras de fluido corporal (SBF) mantendo-se uma razão área superficial/volume de 0,1 cm-1, durante 7 dias sob agitação a 37oC usando um
10 shaker MA420. Após esse período, as amostras foram levemente lavadas com água para remover a solução e posteriormente secas à temperatura ambiente.
A superfície das amostras antes e após tratamento foi caracterizada usando as técnicas de microscopia eletrônica de varredura e microanálise de raios X (EVO MA10 Zeiss) a fim de avaliar a interação do material com as soluções de fluido corporal simulado. As superfícies das amostras foram também avaliadas por meio de difração de raios X (XRD-6000, Shimadzu, radiação Cu-Kα) a fim de identificar as fases formadas.
Ensaios de Resistência Mecânica e Porosidade Aparente
Inicialmente o CAC homogêneo foi misturado com alguns compostos (20%-p do CAC) com auxílio de moinho de bolas durante 1 hora. Os compostos avaliados para aumentar a resistência mecânica do CAC foram: hidroxiapatita (Sigma-Aldrich), zircônia ZF (Saint-Gobain), zircônia CC10 (Saint-(Saint-Gobain), alumina hidratável (Almatis), alumina calcinada (Almatis), fosfato tricálcico (Cadisa), microalumina (Almatis), microssílica D (Elkem) e microssílica U (Elkem). Os aditivos hidroxiapatita, zircônia CC10 e alumina calcinada foram caracterizados como distribuição de tamanho de partículas usando Sedígrafo (5000D, Micromeritics).
Após homogeneização, as misturas foram usadas na preparação de suspensões aquosas de cimento contendo 77 ou 80%-p de sólidos com auxílio de agitador mecânico e usado na preparação de amostras cilíndricas (16 mm de diâmetro x 18 mm de altura) a serem usadas em testes de resistência mecânica a compressão e porosidade aparente. Oito amostras de cada composição foram preparadas (cinco para resistência mecânica e três para porosidade aparente).
As amostras foram mantidas a 37oC em uma estufa em ambiente saturado durante 1 hora, em seguida foram desmoldadas e imersas em solução de fluido corporal (SBF) e retornados para a estufa a 37oC. Após sete dias de cura, amostras úmidas foram submetidas a ensaios de resistência mecânica enquanto outras foram secas a 110oC durante 24 horas e submetidas a medidas de porosidade aparente.
A preparação da solução SBF seguiu procedimento descrito na literatura por Rigo[19], como apresentado na Tabela II.
11 A resistência à compressão uniaxial foi medida usando uma máquina de ensaios EMIC DL10000 utilizando-se uma velocidade de deslocamento de 0,15 mm/min. A tensão de ruptura σR (MPa) foi calculada de acordo com a equação:
=
(C)
onde P (N) é a carga máxima requerida para fraturar cada amostra e D (mm) é o diâmetro médio das amostras.
A porosidade aparente foi avaliada de acordo com o método de imersão (princípio de Archimedes) usando querosene como líquido de imersão (ABNT NBR 6220). As amostras foram inicialmente pesadas a seco (Ms) e após 1 hora de imersão em querosene (ρ=0.80g/cm3) sob vácuo, as amostras foram novamente pesadas quando imersas no líquido (Mi) e úmidas (Mu). Assim, a porosidade aparente foi calculada pela massa de líquido retida em seus poros abertos como apresentado pela equação:
(D)
Ensaios de Radiopacidade
Inicialmente o CAC homogêneo foi misturado com alguns aditivos com auxílio de moinho de bolas durante 1 hora. Os aditivos adicionados ao CAC homogêneo para avaliação quanto à radiopacidade são apresentados na Tabela III. As características dos aditivos ZnO e Bi2O3 tais como morfologia e distribuição de tamanho de partículas foram analisadas usando microscópio eletrônico de varredura (EVO MA10; Zeiss) e Sedígrafo (5000D, Micromeritics).
Após homogeneização, as misturas foram usadas na preparação de suspensões aquosas de cimento contendo 80%-p de sólidos com auxílio de agitador mecânico as quais foram usadas na preparação de quatro amostras (10 mm de diâmetro e 1 mm de espessura) para cada composição. Maior teor de água foi necessário para a preparação da suspensão de MTA (75 %-p de sólidos) usada como controle. A natureza coagulada das partículas de MTA não resulta em suspensões fluidas a menos que elas sejam diluídas [20].
12 Tabela III. Aditivos usados como dispersantes, plastificantes e radiopacos.
Aditivos Teor (%-p) com base na massa de CAC
Composição das suspensões
Dispersante (D) Plastificante (P) Polyglycol1 CaCl2.2H2O2 0.6 2.8 CAC-DP Radiopacos BaSO43 Bi2O33 ZrO24 ZnO2 ZnO2 ZnO2 ZnO:Bi2O3 ZnO:Bi2O3 ZnO:Bi2O3 25 25 25 25 30 35 22.5%ZnO:2.5%Bi2O3 20%ZnO:5%Bi2O3 15%ZnO:10% Bi2O3 CAC-DP-BaSO4 CAC-DP-Bi2O3 CAC-DP-ZrO2 CAC-DP-ZnO (25%) CAC-DP-ZnO (30%) CAC-DP-ZnO (35%) CAC-DP22.5%ZnO:2.5%Bi2O3 CAC-DP-20%ZnO:5%Bi2O3 CAC-DP-15%ZnO:10%Bi2O3 1Bayer, Trostberg, Germany; 2Labsynth, Diadema, SP, Brazil; 3Vetec, Duque de Caxias, RJ, Brazil; 4Sigma-Aldrich, USA.
As amostras foram mantidas durante 24 horas a 37ºC em ambiente saturado em uma estufa (MA033). Após esse tempo, as amostras foram desmoldadas e mantidas a 37°C por mais 24 horas e em seguida foram colocadas sobre um filme oclusal (Kodak; Insight), grupo E (REF 1169143, Lot 39500204). Ainda sobre esse mesmo filme, colocou-se uma escada de alumínio 99 % (liga 1100), cuja espessura varia de 1 a 10 mm, aumentando em incrementos uniformes de 1 mm por degrau com o objetivo de permitir a comparação entre os degraus da escada e as respectivas amostras, como apresentado na Figura 3.
O método para estabelecer um sistema padrão de mensuração da radiopacidade de vários cimentos endodônticos é através de radiografias onde as amostras são radiografadas ao lado de um aparato em degraus de alumínio, onde cada degrau apresenta uma espessura conhecida[21]. De acordo com o protocolo para radiopacidade de materiais dentários, publicado pela International Standards Organization (ISO 4049), estes materiais devem ser mais radiopacos do que a dentina. Os materiais dentários devem possuir radiopacidade igual ou superior à 3 mm Al, para que se possa diferenciar os materiais da estrutura dental humana
13 e até mesmo de cáries recorrentes, infiltrações marginais e falhas na cimentação. O alumínio é o material de referência para comparação por possuir radiopacidade similar à da dentina[22].
Para analisar a radiopacidade das composições utilizou-se o aparelho de Raios X (Procion, ION 70X) que foi regulado para emitir radiação com 70 KVp e 8 mA. A distância foco-objeto, que o separa dos corpos de prova a serem radiografados, foi de 20 cm, sendo o tempo de exposição de 0,25 segundos. Depois de radiografados, os filmes foram revelados manualmente em uma câmara escura de acordo com as recomendações de tempo/temperatura do fabricante. Obtendo-se a radiografia, procedeu-se então a leitura das densidades ópticas (D.O) das amostras e de cada degrau da escada de alumínio, com a ajuda de um fotodensitômetro (MRA; Indústria de Equipamentos Eletrônicos Ltda).
Figura 3: Esquema de radiografia: A) MTA branco (WMTA), B) CAC, C) CAC-DP, D)
CAC-DP-BaSO4 (25%), E) CAC-DP-Bi2O3 (25%), F) CAC-DP-ZrO2 (25%), G) DP-ZnO (25%), H)
CAC-DP-ZnO (30%), I) CAC-CAC-DP-ZnO (35%), J) CAC-DP-22.5% ZnO: 2.5% Bi2O3, K) CAC-DP-20%
ZnO: 5% Bi2O3 e L) CAC-DP-15% ZnO:10% Bi2O3.
As densidades ópticas das amostras e de cada espessura da escada de alumínio foram medidas em triplicata para cada filme. Os resultados de densidade óptica representam a média de 12 medidas para cada composição (3 medidas para cada amostra x 4 amostras para cada composição). Os dados de densidade óptica foram submetidos à regressão polinomial para obter equivalência em radiopacidade (mm Al)[23].
Suspensões aquosas de CAC homogêneo (80 %-p de sólidos) foram também preparadas na presença de ZnO (25%), Bi2O3 (25%) e 15%ZnO:10%Bi2O3 e coladas em moldes cilíndricos para medidas de resistência mecânica e porosidade aparente. A resistência à
14 compressão das amostras foi medida em função do tempo de exposição em SBF seguindo a metodologia descrita anteriormente.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Ensaios de Bioatividade
Espectros dos ensaios de microanálise de raios X (EDX) da superfície das amostras de MTA e CAC antes da imersão em SBF são apresentados na Figura 4. Estes testes confirmaram a presença dos principais elementos constituintes do MTA: cálcio, silício, oxigênio e bismuto e para CAC: alumínio, oxigênio, cálcio e zinco.
Figura 4: Espectros EDX de amostras de MTA e CAC antes da imersão em SBF.
Espectros EDX das amostras após imersão por 7 dias em SBF preparadas de acordo com Kokubo e Rigo são apresentados na Figura 5. Fósforo foi identificado majoritariamente quando MTA foi tratado com SBF Kokubo enquanto para CAC isso ocorreu com SBF Rigo.
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Figura 5: Espectros EDX de amostras de MTA e CAC após imersão por 7 dias em solução SBF
preparadas de acordo com Kokubo e Rigo.
Análises de MEV para amostras após imersão por 7 dias em solução SBF preparadas de acordo com Kokubo e Rigo são apresentadas nas Figuras 6 e 7. Essas análises confirmaram que a presença de cálcio e fósforo ocorreu majoritariamente para MTA e CAC após imersão em SBF Kokubo e Rigo, respectivamente. A presença desses elementos indica a formação de uma fase de fosfato de cálcio na superfície das amostras.
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Figura 6: Micrografia eletrônica de varredura e espectro EDX da superfície de MTA após imersão por
7 dias em solução SBF preparadas de acordo com Kokubo e Rigo.
Figura 7: Micrografia eletrônica de varredura e espectro EDX da superfície de CAC após imersão por
17 Além da hidroxiapatita, outros fosfatos podem precipitar a partir da solução SBF os quais podem ser classificados através da sua razão entre os elementos cálcio/fósforo (Ca/P), a razão Ca/P encontrada na superfície do CAC em contato com SBF Rigo no valor igual 1,67 o que favorece a precipitação de hidroxiapatita. Análises de raios-X das amostras antes e após imersão por 7 dias em soluções SBF Kokubo e Rigo são apresentadas na Figura 8. Diferentes fases de fosfato de cálcio foram identificadas na superfície do MTA após imersão em SBF Kokubo como: apatita carbonatada [Ca10(PO4)6CO3], fosfato tricálcico [Ca3(PO4)2] e fosfato de cálcio amorfo [Ca3(PO4)2xH2O]. Por outro lado, na superfície do CAC após imersão em SBF Rigo, hidroxiapatita [Ca5(PO4)3OH] foi obtida.
Figura 8: Difratogramas para (a) MTA antes da imersão em SBF, (b) MTA após 7 dias de imersão em
SBF Kokubo, (c) MTA após 7 dias de imersão em SBF Rigo, (d) CAC antes da imersão em SBF, (e) CAC após 7 dias de imersão em SBF Kokubo, (f) CAC após 7 dias de imersão em SBF Rigo.
Uma importante característica que deve ser avaliada trata-se da interação físico-química da superfície de cimentos em contato com água e soluções simuladoras de fluido corporal.
Os produtos da hidratação do MTA são hidratos de silicato de cálcio (CSH) e hidróxido de cálcio (CH):
18 2(2CaO.SiO2) + 4H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2 (F)
Cimentos de aluminato de cálcio produzem durante a hidratação hidratos de aluminato de cálcio (CAH) e hidróxido de alumínio (AH):
3(CaO.Al2O3) + 12H2O → Ca3[Al(OH)4]2(OH)4 + 4Al(OH)3 (G)
Após endurecimento, MTA em contato com água libera maior concentração de íons cálcio no meio. Esse cálcio é simultaneamente produzido da solubilização do CH e da decomposição do CSH. A dissociação do hidróxido de cálcio em íons OH- também promove aumento no pH do meio. Por outro lado, a liberação de íons Ca2+ e OH- no meio pelo aluminato de cálcio ocorre somente pela decomposição do CAH uma vez que o hidróxido de alumínio é insolúvel em água. Isso promove menores valores de pH da água em contato com cimentos de aluminato de cálcio endurecidos quando comparado com o MTA, como apresentado na Figura 9.
Figura 9: pH em função do tempo para (a) água e (b) solução de fluido corporal simulado (SBF) em
contato com amostras endurecidas de MTA e CAC.
O comportamento do MTA em contato com soluções SBF foi distinto do verificado em água. Quando colocado em contato com SBF, hidróxido de cálcio é solubilizado do MTA. A liberação de íons OH- é parcialmente tamponada pelo líquido sobrenadante e resulta num aumento moderado do pH. Esse aumento no pH e na concentração de íons cálcio acentua a supersaturação da solução SBF com relação a apatitas o que promove a precipitação na superfície do MTA. Esse mecanismo é provavelmente o responsável pela formação de fases de fosfato de cálcio na superfície de amostras de MTA após a imersão em SBF Kokubo. Por
19 outro lado, a liberação de íons cálcio das amostras de CAC não é suficiente para acentuar a supersaturação do SBF Kokubo e a formação de fases de fosfato de cálcio na superfície das amostras não é verificada. A liberação de íons OH- não é suficiente para promover aumento no pH e o pH é mantido por volta de 7,5 em todo o tempo medido (Figura 9b).
Entretanto, a formação de fases de fosfato de cálcio na superfície de CAC foi favorecida em SBF Rigo. A principal diferença nos métodos de preparação diz respeito ao teor de tampão. Na solução de Rigo o tampão Tris é apenas adicionado em um teor apropriado para ajustar o pH em 7,25 enquanto em SBF Kokubo um teor significativamente maior foi usado.
Isso provavelmente pode explicar o aumento no pH verificado em SBF Rigo o que promoveu a supersaturação da solução e a formação de fases de fosfato de cálcio na superfície das amostras.
No caso do MTA na presença de SBF Rigo o menor teor de tampão acentuou o aumento no pH em um curto tempo. Entretanto, isso não favoreceu a precipitação de fosfato de cálcio. O alto nível de pH alcançado favoreceu a precipitação de compostos de Mg2+ na solução desde que compostos com magnésio precipitam em condições mais básicas comparadas com compostos de cálcio.
Análises de raios X confirmam que o MTA após hidratação é composto por hidrato de silicato de cálcio e hidróxido de cálcio enquanto CAC é formado por hidrato de aluminato de cálcio (C3AH6= 3CaO.Al2O3.6H2O) e hidróxido de alumínio.
Após imersão em SBF Kokubo pode ser visto que o pico característico do hidróxido de cálcio desapareceu devido a sua alta solubilidade que promove aumento na concentração de íons Ca2+ e OH- e favorece a formação de fases de fosfato de cálcio. Isso pode ser confirmado pela identificação dos picos característicos da apatita carbonatada [Ca10(PO4)6CO3], fosfato tricálcico [Ca3(PO4)2] e fosfato de cálcio amorfo [Ca3(PO4)2xH2O]. Resultados de raios X também mostraram que fases de fosfato não são favorecidas na superfície do MTA em SBF Rigo devido a inibição pela presença de magnésio. Íons magnésio identificados por XRD precipitaram provavelmente como hidróxido de magnésio.
A formação de fosfato de cálcio amorfo [Ca3(PO4)2xH2O] confirmou a supersaturação da solução uma vez que essa fase é precipitada em solução aquosa supersaturada com cálcio e fósforo e alto pH. A presença de apatita carbonatada [Ca10(PO4)6CO3] também indicou alto teor de cálcio disponível.
20 Embora hidroxiapatita tem sido muito usada como biomaterial osteocondutor, apatitas carbonatadas são mais similares aos componentes inorgânicos do osso e pode ser usada como material bioabsorvível para preenchimento de defeitos ósseos.
Por outro lado, na superfície de CAC após imersão em SBF Rigo, hidroxiapatita estequiométrica foi obtida [Ca5(PO4)3OH]. Observações por MEV revelaram que a fase de fosfato de cálcio obtida tem uma morfologia esférica característica de HA estequiométrica. A camada de HA superficial formada é similar em estrutura aos componentes minerais do osso e fornece uma ancoragem e condições para a proliferação de novas células formadoras de osso[24]. Um material com uma camada de apatita sobre a sua superfície próxima a tecidos calcificados como dentes e osso forma uma ligação química e integração biológica com eles [25]. Assim, esses materiais podem restaurar os dentes mais próximos ao seu estado original.
Ensaios de Resistência Mecânica e Porosidade
Os resultados de resistência mecânica e porosidade aparente para as amostras de Secar 71, contendo diferentes compostos são apresentados nas Figuras 10 e 11, respectivamente.
Figura 10: Resistência mecânica do CAC comercial (Secar 71) contendo 20%-p de diferentes
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Figura 11: Porosidade aparente do CAC comercial (Secar 71) contendo 20%-p de diferentes
compostos.
Os aditivos que proporcionaram maior aumento da resistência mecânica do Secar 71 foram zircônia CC10, alumina calcinada e hidroxiapatita. Cabe ressaltar que a hidroxiapatita proporcionou grande aumento da resistência mecânica mesmo com o maior teor de água utilizado para preparar uma suspensão fluida adequada para a moldagem o que provavelmente resultou em maior porosidade quando comparado aos aditivos CC10 e alumina. Além disso, esses compostos devem ser mais efetivos quanto à obtenção de um melhor empacotamento das partículas visto que apresentam partículas menores comparadas ao Secar 71, como apresentado na Figura 12.
Figura 12: Distribuição de tamanho de partículas para o cimento Secar 71 e os compostos zircônia
22 Cabe ressaltar que a resistência mecânica obtida pelo CAC comercial é superior ao material de maior aceitação no mercado o MTA, pois o mesmo possui limitações como baixa resistência mecânica à compressão (30MPa) após o período de 24horas. Aos 21 dias sua resistência mecânica chega à 40MPa[10].
Ensaios de Radiopacidade
Os valores de densidades ópticas (DO) obtidos para cada degrau da escada de alumínio correspondentes aos ensaios realizados com diferentes radiografias são apresentados na Figura 13. As leituras apresentaram um comportamento muito similar indicando que o método possibilita resultados suficientemente reprodutíveis. Também pode ser observado decréscimo na DO com o aumento da espessura da escada de alumínio uma vez que a imagem torna-se progressivamente mais radiopaca.
Figura 13: Densidades ópticas da escala de alumínio medidas a partir de quatro radiografias.
Os valores de DO obtidos para amostras de CAC contendo os aditivos radiopacos foram convertidos em valores de radiopacidade (expresso em mm de Al) usando as curvas de calibração apresentadas na Figura 13 e são apresentados na Figura 14.
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Figura 14: Valores médios obtidos para medidas de radiopacidade expressa em mm de Al e leituras
de densidade óptica para os aditivos avaliados: WMTA (MTA branco) e CAC (Secar 71) na presença de DP (dispersante e plastificante) e aditivos radiopacos.
Observa-se que a presença dos aditivos dispersantes e plastificantes não modificaram a radiopacidade do CAC. Cabe ressaltar que os melhores aditivos avaliados na resistência mecânica não foram avaliados quanto a radiopatidade, uma vez que os mesmos não favorecem radiopacidade para o material. A adição de Bi2O3 (25%) resultou no maior valor de radiopacidade do CAC quando comparado aos outros aditivos radiopacos avaliados, até mesmo com o material de maior aceitação no mercado (MTA), o qual apresenta Bi2O3 em sua composição. Cabe ressaltar que a mistura contendo 15% de ZnO-10% de Bi2O3 apresentou uma radiopacidade semelhante ao MTA, sendo suficiente para fins clínicos.
O Bi2O3 é utilizado como um agente radiopaco para materiais dentários, tais como resinas acrílica e MTAs que lhe conferem suficientes radiopacidades[23,26]. Entre todos os aditivos avaliados o Bi2O3 resultou em menor densidade óptica (DO).
A Norma ISO 6876:201222 estabelece três milímetros Al como radiopacidade mínima para os cimentos endodônticos. Quando os valores de DO foram convertidos para radiopacidade valor superior a 3 mm de Al foi obtido principalmente pela adição de Bi2O3. Na presença de 25% de ZnO o valor obtido foi mais baixo (2,2 milímetros Al) do que o estabelecido na norma, que permiti a diferenciação radiográfica entre o cimento e as estruturas dentais. Com isso, teores mais elevados de ZnO foram avaliados e também a mistura com Bi2O3 em diferentes proporções. CAC-DP-15%ZnO:10%Bi2O3 apresentou radiopacidade adequada (3,5 milímetros Al), semelhante ao MTA.
24 A influência de adições de ZnO (25%), Bi2O3 (25%) ou a mistura (15% de ZnO:10% Bi2O3), sobre algumas propriedades da CAC, como resistência à compressão e a porosidade aparente foi avaliada como apresentado na Figura 15.
Figura 15: Resistencia mecânica a compressão e porosidade aparente em função do tempo de
exposição em SBF para o CAC na presença de dispersante e plastificante (DP) e dos aditivos radiopacos.
A adição de ZnO (25%) e 15%ZnO:10%Bi2O3 aumentou a resistência à compressão do CAC-DP, enquanto para Bi2O3 (25%) os valores foram menores do que CAC-DP. A adição de ZnO (25%) e 15%ZnO:10%Bi2O3 também resultou em decréscimo da porosidade aparente comparado ao Bi2O3 (25%).
Uma importante característica que deve ser considerada na escolha de um aditivo radiopaco diz respeito ao seu efeito sobre as propriedades do material como a resistência mecânica. A adição de ZnO (25%) aumentou a resistência mecânica do CAC-DP quando comparado ao Bi2O3 (25%). Isso ocorre provavelmente porque ZnO apresenta partículas menores comparado ao Bi2O3 (Figura 16) o que afeta positivamente o empacotamento de
25 partículas resultando em menor porosidade e consequentemente maior resistência mecânica. Por outro lado, Bi2O3 aumenta a porosidade devido as suas partículas que são alongadas e maiores.
Figura 16: Caracterização da morfologia e distribuição de tamanho de partículas dos aditivos
radiopacos ZnO e Bi2O3.
A adição da mistura 15%ZnO:10%Bi2O3 ao CAC resultou em valores mais próximos ao ZnO (25%) e também em menor porosidade comparada ao Bi2O3 (25%). Ambos ZnO (25%) e 15%ZnO:10%Bi2O3 resultaram em menor decréscimo da resistência com o tempo.
Camilleri and Galdolfi[26] também mostraram que ZnO apresenta partículas muito finas (menor 3 µm) as quais são difíceis de serem distintas por MEV. Por outro lado, Bi2O3mostra partículas alongadas com variação larga de tamanho (5-100 µm).
CONCLUSÃO
O CAC homogêneo após imersão em solução SBF preparadas de acordo com Kokubo e Rigo apresenta maior capacidade de alcalinizar o meio em SBF Rigo. Este comportamento acentua a supersaturação da solução SBF promovendo a precipitação de uma camada
26 superficial com morfologia esférica característica de HA estequiométrica. Entretanto, na solução SBF Kokubo o teor de tampão existente não permite aumento do pH inibindo a formação de fases de fosfato. Para o MTA os íons Ca2+ e OH-, originados principalmente devido à dissociação do hidróxido de cálcio, reagem com os íons fósforo da solução SBF Kokubo favorecendo a precipitação de fases de fosfato de cálcio na superfície do MTA. Em SBF Rigo, as condições de pH atingidas favorecem a precipitação de íons Mg2+ o que inibe a precipitação de fases de fosfato de cálcio. A precipitação de uma camada de fosfato de cálcio na superfície de materiais quando expostos a soluções simuladoras de fluido corporal (SBF) in vitro, indica sua bioatividade fornecendo uma ancoragem e condições para a proliferação de novas células formadoras de osso in vivo.
A adição dos aditivos HA, zircônia CC10 e alumina proporciona aumento da resistência mecânica do CAC comercial Secar 71, apresentando uma resistência mecânica superior ao material de maior aceitação no mercado MTA.
O Bi2O3 proporciona melhor resultado de radiopacidade do CAC comercial, mas promove aumento da porosidade do mesmo, devido as suas partículas de maior tamanho e forma alongada. O ZnO, por sua vez, afeta positivamente o empacotamento das partículas resultando em aumento da resistência mecânica do CAC homogêneo. Dessa forma, este estudo mostra que é possível se obter adequada radiopacidade para propósitos clínicos usando menor teor de aditivo mantendo o melhor compromisso com as propriedades físicas usando a mistura 15%ZnO:10%Bi2O3.
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