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9º Congresso Latino-Americano de Orgãos Artificiais e Biomateriais
13º Congresso da Sociedade Latino Americana de Biomateriais, Orgãos Artificiais e Engenharia de Tecidos - SLABO
24 a 27 de Agosto de 2016, Foz do Iguaçu, PR
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: [email protected]
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).
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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).
O aditivo utilizado neste trabalho foi escolhido através de uma análise dos
aditivos já empregados na literatura. Decidiu-se pela utilização do sulfato de
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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 gramnegativas 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.
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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.
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Tens‫م‬o Limite de Resistência (MPa)
Média
1,5
1,0
0,5
0
10
30
50
Aditivo (%)
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.
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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.
Tens‫م‬o Limite de Resistência (MPa)
Média
1,2
0,9
0,6
0
10
30
50
Aditivo (%)
Figura 02. Ensaio de resistência à compressão diametral dos biocimentos
incorporados com fármacos.
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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).
1,6
Tens‫م‬o Limite de Resistência (MPa)
BC
BCF
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0
10
20
30
40
50
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
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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
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titulo de Doutor em Engenharia Mecânica na área de Projetos e Materiais,
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Composition effects on the pH of a hydraulic calcium phosphate cement.
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Proceedings of the 20th Annual Meeting of the Society for Biomaterials, Boston,
p. 146, 1994.
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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).
Key-words: biocements, bone graft, drug.
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