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ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
PÂMELA ANTUNES BELLON
Síntese do biovidro e sua caracterização.
Lorena
2012
PÂMELA ANTUNES BELLON
Síntese do biovidro e sua caracterização.
Monografia apresentada como requisito para a
conclusão de Graduação do Curso de Engenharia
Química.
Orientador: Prof. Dr. Fernando Vernilli Júnior
Lorena
Outubro, 2012
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO Assessoria de Documentação e Informação
Escola de Engenharia de Lorena
Bellon, Pâmela Antunes Síntese do biovidro e sua caracterização / Pâmela Antunes Bellon; orientador Fernando Vernilli Júnior – Lorena, 2012.
59f. Monografia apresentada como requisito para a conclusão de Graduação do Curso de Engenharia Química. Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo.
1. Biomateriais 2. Biovidro 3. Fluorescência de raios X
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho aos meus pais Narbal e Fátima,
que com dedicação e muito esforço, me deram todo o
apoio para eu ser quem sou e alcançar meus objetivos.
AGRADECIMENTOS
À Deus, pela existência, sabedoria, direção, compreensão, força e por me
capacitar para eu estar aqui realizando mais um sonho. Meu Senhor muito
obrigada.
À minha família pelo apoio indiscutível para que essa caminhada fosse realizada,
ela foi dura e difícil, mas está acabando graças a Deus e a vocês. E iremos
começar uma próxima muito em breve, não fiquem bravos.
Ao Prof. Dr. Fernando Vernilli Júnior, pela orientação e oportunidade de conhecer
um pouco da Ciência, com essa experiência pude crescer e amadurecer um
pouco mais.
À Escola de Engenharia de Lorena (EEL), pela oportunidade de realizar o Curso
de Gradução em Engenharia Química.
Enfim, à todas as pessoas que fizeram parte desta caminhada direta ou
indiretamente, me auxiliando a subir mais um degrau em minha vida.
“... Feliz o homem que acha sabedoria, e o
homem que adquire o conhecimento; porque
melhor é o lucro que ela dá do que o da prata,
e melhor a sua renda do que o ouro mais fino.
Mais preciosa é do que pérolas, e tudo o que
podes desejar não é comparável a ela.”
Provérbios
RESUMO
Bellon, P. A. Síntese do biovidro e sua caracterização. 2012. 59p. Monografia –
Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena/SP, 2012.
Com o objetivo de criar novos materiais que possam substituir partes danificadas
de um organismo, a ciência dos materiais avança cada dia mais. Os dias atuais
acabam cobrando esses estudos, com o aumento da expectativa de vida e os
avanços tecnológicos. Para um material ser implantado ele tem que possuir
propriedades químicas e mecânicas semelhantes às do organismo, portanto ele
não pode causar nenhum dano ao organismo, pois perderia sua função. Materiais
que apresentam essas propriedades são chamados de biomateriais. O material
estudado neste trabalho é um material bioativo, ou seja, ele tem a capacidade de
interagir com o tecido ósseo através da formação de uma camada apatítica (HA),
entre a prótese e o tecido, promovendo uma ligação química rápida e durável. O
trabalho apresenta um processo para o desenvolvimento e caracterização de
biovidros bioativos referente ao sistema SiO2-CaO-Na2O-P2O5, visando o seu uso
como substitutos ósseos, enxertos, ou preenchendo poros de outros biomateriais
para facilitar o processo de osteocondução. Sua caracterização é de grande
importância para o estudo, porque através dela avalia-se as propriedades do
biovidro sintetizado, sua composição e bioatividade. Uma das técnicas que se
destaca na caracterização de biomateriais é a energia dispersiva de fluorescência
de raios X (ED-FRX), por ser uma análise rápida, não destrutiva, de preparação
simples e apresenta resultados com alta precisão e exatidão. O vidro obtido é um
material amorfo, sua composição está dentro da região de bioatividade,
apresentou biocompatibilidade e formação da camada apatítica. Assim, com os
resultados obtidos, pode-se concluir que o biovidro, do sistema SiO2-CaO-Na2O-
P2O5, pode ser usado para implantes, como material bioativo.
Palavras-chave: Biomateriais. Bioatividade. Biovidro. Caracterização.
Fluorescência de Raios X (FRX).
ABSTRACT
Bellon, P. A. Synthesis and characterization of bioglass. 2012. 59p.
Monograph - Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo,
Lorena/SP, 2012.
Aiming to create new materials that can replace damaged parts of an organism,
material science advances every day. Nowadays end charging these studies, with
increasing life expectancy and technological advances. For a material to be
implanted it has to possess chemical and mechanical properties similar to those of
the body, so it can not cause any hurt to the body, because would lose its function.
Materials with those properties are called biomaterials. The material studied in this
work is a bioactive material, in other words it has the capability of interacting with
the bone tissue by forming a layer HA, between the prosthesis and the tissue
promoting a chemical connection rapid and durable. The study presents a
procedure for the development and characterization of bioactive bioglasses
referring to the system SiO2-CaO-Na2O-P2O5, aiming their use as osseous
substitutes, grafts, or filling pores other biomaterials to facilitate the process of
osteoconduction. Its characterization is of great importance for the study, because
through it we evaluate the properties of synthesized bioglass, its composition and
bioactivity. One technique that stands out in the characterization of biomaterials is
the energy dispersive X-ray fluorescence (ED-XRF), because ED-XRF is a rapid
analysis, non-destructive, simple to prepare and presents results with high
precision and exactness. The glass got was an amorphous material, its
composition was within the region of bioactivity, it presented biocompatibility and
apatítica layer formation. Thus, with got results, we can conclude that bioglass, the
system SiO2-CaO-Na2O-P2O5, can be used for implants, such as bioactive
material.
Keywords: Biomaterials. Bioactivity. Bioglass. Characterization. X-Ray
Fluorescence (XRF).
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 – Mandíbula com três pedaços de conchas do mar implantadas. Este é o primeiro exemplo de um implante endosteal aloplástico realizado com êxito. ... 14
Figura 2.1 – Estrutura óssea esquematizada. ....................................................... 18 Figura 2.2 – Seção óssea, visualização do osso compacto e do osso esponjoso. .............................................................................................................................. 19 Figura 2.3 – Classificação dos materiais para implante relativamente à interação com o meio fisiológico. .......................................................................................... 23
Figura 2.4 – Representação do mecanismo de formação da Hidroxiapatita na superfície de um vidro bioativo do sistema SiO2-CaO-Na2O-P2O5. ....................... 28
Figura 2.5 – Diagrama ternário SiO2-CaO-Na2O mostrando a relação existente entre composição e índice de bioatividade ........................................................... 30
Figura 2.6 – Esquema ilustrativo da produção de fótons de fluorescência. (a) elétron sendo ejetado por um fóton incidente; (b) elétron em L3 preenchendo a
vacância em K e produzindo fóton de fluorescência contribuinte da linha K; (c) elétron em M5 preenchendo a vacância em L3, a diferença de energia dessas
duas camadas é equivalente a um fóton da linha L. ............................................ 34
Figura 2.7 – Representação esquemática fonte – amostra – detector para fluorescência de raios X. ....................................................................................... 35
Figura 2.8 – Efeito da Granulometria. ................................................................... 39
Figura 3.1 – Fluxograma das etapas da síntese do biovidro e sua caracterização. .............................................................................................................................. 44 Figura 3.2 – Fluxograma de preparação do biovidro. . .......................................... 45 Figura 3.3 – Evaporador rotativo utilizado para a obtenção do biovidro ............... 46 Figura 3.4 – Equipamento de Fluorescência de Raios X por Energia Dispersiva. 47 Figura 3.5 – Esquema do teste de biocompatibilidade. ........................................ 49 Figura 4.1 – Análise de DSC da mistura de reagentes. ........................................ 50 Figura 4.2 – Diagrama de Hench indicando onde está localizado o resultado do biovidro.. ............................................................................................................... 51 Figura 4.3 – Variação de massa das amostras após o teste. . ............................. 52 Figura 4.4 – Curva de calibração para elemento sódio. ........................................ 53
Figura 4.5 – Curva de calibração para elemento cálcio.. ...................................... 54
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Propriedades mecânicas do osso cortical e trabecular e de alguns biomateriais ........................................................................................................... 20 Tabela 2.2 - Aplicações químicas dos biomateriais. ............................................ 24 Tabela 2.3 - Comparação das soluções simuladoras com o plasma sanguíneo em (mol/L). .................................................................................................................. 26 Tabela 2.4 - Classificação das biocerâmicas. ...................................................... 29
Tabela 2.5 - Fontes de erros mais prováveis nas medidas analíticas. .................. 40
Tabela 3.1- Sequência dos reagentes a serem adicionados no preparo da solução SBF de acordo com Andrade. ............................................................................... 48
Tabela 4.1- Análise por ED-FRX do biovidro obtido. ............................................. 51
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................. 14
1.1. Justificativas ............................................................................................... 16
1.2. Objetivos .................................................................................................... 17
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................................. 18
2.1. Conceitos e Propriedades do Tecido Ósseo .............................................. 18
2.2. Uso de Enxertos Ósseos ........................................................................... 20
2.3. Biomateriais ............................................................................................... 21
2.3.1. Bioatividade ........................................................................................ 25
2.3.2. Biocerâmicas ...................................................................................... 28
2.3.2.1. Biovidro ....................................................................................... 29
2.4. Técnicas de Caracterização ....................................................................... 31
2.5. Espectrometria de Fluorescência de Raios X ............................................ 32
2.5.1. Conceitos de Fluorescência de Raios X ............................................. 32
2.5.2. Dispersão dos Raios X ....................................................................... 35
2.5.3. Calibração ........................................................................................... 36
2.5.4. Análises Quali-Quantitativas ............................................................... 37
2.5.5. Preparação das Amostras .................................................................. 40
3. MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................ 44
3.1. Materiais .................................................................................................... 44
3.2. Métodos Experimentais .............................................................................. 45
3.2.1. Preparação do Biovidro ...................................................................... 45
3.2.2. Técnicas de Caracterização do Biovidro ............................................ 46
3.2.2.1. Análise Térmica ........................................................................... 46
3.2.2.2. Análise por Espectrometria de Fluorescência de Raios X (FRX) 47
3.2.2.3. Propriedades Biológicas .............................................................. 47
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................ 50
4.1. Caracterização do Biovidro ........................................................................ 50
4.1.1. Análise Térmica .................................................................................. 50
4.1.2. Análise de Fluorescência de Raios X por Energia Dispersiva (ED-FRX)
...................................................................................................................... 50
4.1.3. Teste de Biocompatibilidade (teste in vitro) ........................................ 52
4.1.3.1. Teste de Absorção Atômica da solução SBF ............................. 53
5. CONCLUSÕES ............................................................................................. 55
6. REFERÊNCIAS ............................................................................................ 56
14
1. INTRODUÇÃO
A aplicação de biomateriais acontece desde a pré-história, como prova a
descoberta de crânios com trepanações nas quais foram utilizadas placas de ouro
e prata, a aplicação de implantes dentários, e a utilização de fios de sutura,
descritas há milhares de anos (GUTIERRES, 2006).
O primeiro relato de um implante não orgânico enxertado em osso humano,
data de 600 d.C. Este implante, encontrado em Honduras em 1931, era uma
mandíbula no qual três fragmentos de concha do mar estavam no lugar dos
incisivos inferiores. Após investigações radiográficas foi concluído que, devido à
osteointegração entre o implante e o osso, o material havia sido implantado em
paciente vivo (PAIVA, 2005). A Figura 1.1 apresenta uma imagem desta
mandíbula.
Figura 1.1 - Mandíbula com três pedaços de conchas do mar implantadas. Este é o primeiro exemplo de um implante endosteal aloplástico realizado com êxito (PAIVA, 2005 apud RING, 1998).
Atualmente, essa busca por materiais capazes de reparar tecidos
lesionados sem causar danos ao indivíduo continua, estudos são realizados, não
apenas para reparar danos causados por acidentes ou para diminuir o transtorno
de uma deficiência como antigamente, mas também para auxiliar o aumento da
expectativa de vida.
Os constantes avanços obtidos pela medicina vêm conduzindo a um
evidente aumento da expectativa de vida da população mundial e,
consequentemente, estão proporcionando maior qualidade de vida às pessoas
que se encontram na “melhor idade”. Entretanto, o desgaste e a redução das
propriedades e atividades dos tecidos e órgãos que constituem o corpo humano
são processos inerentes ao envelhecimento dos seres vivos (DAGUANO, 2011).
Três fragmentos de
concha substituindo
incisivos inferiores
15
Outra situação importante para o uso dos biomateriais é que na realização
de um autoenxerto, nem sempre é possível retirar do próprio paciente a
quantidade de tecido necessária para restaurar a cavidade defeituosa e no caso
do homoenxerto e do xenoenxerto é grande o risco de contaminação pelo uso de
enxertos contaminados (MUNDSTOK, 2012). Tentando solucionar as situações
citadas acima, pesquisas na área de biomateriais estão sendo realizadas,
buscando o desenvolvimento de novas tecnologias e recursos para substituir os
biomateriais tradicionais. Biomateriais tradicionais são materiais que foram os
primeiros a serem utilizados como implantes, e por não terem sido desenvolvidos
para esse tipo de aplicação são reconhecidos pelo organismo como agentes
estranhos, causando reações indesejadas ao organismo como: algumas ligas de
titânio usadas em aplicações aeroespaciais. Os novos biomateriais, como o
biovidro, estudado neste trabalho, estão sendo desenvolvidos com o intuito de
serem usados como material biomédico para não causar nenhum dano ao
organismo.
A utilização clínica de vidros como biomaterial surgiu através do trabalho
pioneiro de Larry Hench na década de 60, com o desenvolvimento do Bioglass®
45S5. A principal característica diferenciadora deste material biocompatível é a
sua capacidade para promover uma rápida e durável ligação química, com a
formação de uma camada apatítica com o tecido ósseo, o que lhe valeu a
designação de vidro bioativo. Com o seu desenvolvimento, nasceu o conceito de
bioatividade e com isso, a aceleração da investigação realizada no campo dos
materiais para restauração óssea (DAGUANO, 2011).
Os biovidros, por apresentarem a propriedade bioativa, em alguns testes
mostraram-se bastante superiores aos outros materiais usados como implante
proporcionando a reparação total dos defeitos depois de implantados. Além disso,
apresentam uma grande vantagem: não precisam ser substituídos após a
implantação como é o caso dos implantes metálicos. Porém, a sua forma de
aplicação é muito importante. Quando implantado na forma de particulado pode
migrar através do sistema linfático e quando implantado na forma sólida pode não
ocorrer uma boa fixação do biovidro implantado com a matriz óssea (GUTIERRES
et al., 2006).
As biocerâmicas, como o biovidro, não são usadas apenas para reparação
de tecidos ósseos. Elas podem também ser usadas para reparar ou mesmo
16
substituir partes do sistema cardiovascular, especialmente válvulas cardíacas,
como também serem utilizadas de forma terapêutica, no tratamento de tumores
(SIQUEIRA e ZANOTTO, 2011).
O estudo de qualquer material leva à necessidade de desenvolver técnicas
de caracterização, e uma das técnicas que se destacam é a Espectrometria de
Fluorescência de Raios X (FRX). Essa técnica, que tem sua importância
determinando a composição do material e comprovando se um biomaterial foi
obtido, usa o método comparativo para obter seus resultados e análises,
comparando a amostra com curvas montadas através de padrões com valores de
concentrações conhecidas e específicas.
1.1. Justificativas
A necessidade de desenvolver materiais que substituem partes ósseas
sem prejudicar o indivíduo vem sendo cobrada há anos e muitos estudos estão
sendo realizados nessa área. Muitos materiais podem ter esse tipo de uso, porém
para serem empregados dessa forma, esses materiais precisam possuir
características compatíveis às dos organismos. Cerâmicas, metais, polímeros ou
suas combinações, são exemplos de materiais que podem ser usados para esse
fim.
Um aspecto de enorme importância para os biomateriais é a sua
biocompatibilidade, que é a capacidade de o material não apresentar nenhum
dano ao organismo depois de implantado. Os parâmetros que definem a
biocompatibilidade são difíceis de serem estabelecidos, pois estão ligados a
fatores subjetivos como a idade do paciente, estado de saúde, local de implante,
imunidade, etc. A resposta do organismo também depende das características do
próprio material, tais como composição, natureza, rugosidade e morfologia. Essas
características são controladas no projeto e na síntese do material (PAIVA, 2005).
17
1.2. Objetivos
Este trabalho tem como objetivo desenvolver um estudo sobre o biovidro
bioativo, baseado em um trabalho de iniciação científica desenvolvido durante a
graduação, que fez parte de uma Tese de Doutorado, Materiais
bioengenheirados: cerâmicas a base de alumina incorporadas com biovidro, Fábio
H. S. Reis, 2011.
Este estudo irá demonstrar a síntese do biovidro bioativo e sua
caracterização, descrever a técnica ED-FRX e mostrar seu uso e importância para
o estudo de biovidros.
Assim, podemos destacar alguns itens do estudo proposto:
Obter um vidro com características bioativas;
Identificar suas propriedades;
Determinar sua composição;
Avaliar ser comportamento biológico.
18
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Conceitos e Propriedades do Tecido Ósseo
A formação do tecido ósseo inicia-se na sétima semana embrionária e
continua se desenvolvendo, remodelando e desempenhando funções estruturais
e metabólicas pelo resto da vida do indivíduo. Suas funções incluem o suporte do
corpo e a proteção dos órgãos internos. Também funciona como alavancas
rígidas para a realização dos movimentos mediante uma ação muscular
(SHIMANO, 2006).
O tecido ósseo é composto por mais ou menos 30 % de colágeno, 5 % de
fibras não colagenosas, e os 65 % restantes compõem-se de mineral,
principalmente cristais de hidroxiapatita, Ca10(PO4)6(OH)2 (HA) (TEN CATE,
2001). A rigidez e resistência do osso estão relacionadas com a associação dos
cristais de hidroxiapatita com o colágeno. Se o osso for descalcificado, se torna
extremamente flexível, se o componente orgânico for retirado, se torna
extremamente frágil, porém ele ainda mantém sua forma original (REIS, 2011).
Na Figura 2.1 podemos visualizar a estrutura óssea.
Figura 2.1 – Estrutura óssea esquematizada (REIS, 2011 apud JUNQUEIRA, 2004).
19
O osso apresenta uma estrutura lamelar, composta por uma malha de
lamelas concêntricas distribuídas ao redor de canais ramificadores (canais de
Havers) por onde passam os vasos nutrícios. Esses canais se comunicam com o
exterior ou com a medula óssea, quando ramificados, através de canais
conhecidos como canais de Volkmann. Essa estrutura é organizada nas formas
trabecular (esponjosa) e cortical (compacta) (TUREK, 1991).
A parte esponjosa do osso (trabecular) apresenta uma porosidade
interconectada entre 50 e 90 %. Essa parte apresenta maior atividade metabólica,
pois possui em sua superfície maior número de células por unidade de volume
que no osso cortical. A parte compacta do osso (cortical) é a região que suporta
as diferentes cargas e forças exercidas sobre o osso. Ela se encontra na parte
superficial dos ossos e sua função é revestir todos os ossos do nosso organismo
(MUNDSTOCK, 2010). A Figura 2.2 ilustra a seção óssea e a Tabela 2.1 mostras
as propriedades mecânicas do osso trabecular e cortical e de alguns biomateriais.
Figura 2.2 – Seção óssea, visualização do osso compacto e do osso esponjoso (REIS, 2011 apud JUNQUEIRA, 2004).
20
Tabela 2.1 - Propriedades mecânicas do osso cortical e trabecular e de alguns biomateriais (MUNDSTOK, 2010 e ASHBY, 2005).
Osso Resistência (MPa) Módulo de
Elasticidade, E (GPa) Compressão Tração Flexão Compacto
longitudinal 100 - 230 78 - 150 50 - 150 7 - 30
Compacto transversal
106 - 133 51 - 56 - -
Trabecular 2 - 12 - - 0,05 - 0,5 Aço Inox - 480 - 2240 - 189 – 210 Titânio - 300 - 1625 - 90 – 120
Vitrocerâmica - 62 - 177 - 64 – 110 Vidro a base
de sílica - 45 - 155 - 68 – 74
Silicone - 2,4 – 5,5 - 0,005 – 0,02
2.2. Uso de Enxertos Ósseos
A capacidade regenerativa do tecido ósseo é um mecanismo fascinante, no
entanto, em casos de perda ou dano extenso, essa propriedade pode ficar
limitada, alterando a fisiologia tecidual, não sendo mais possível a sua
regeneração natural (LUTOLF et al., 2003). Por esse motivo, várias estratégias
têm sido utilizadas na busca de desenvolver substitutos biológicos para restaurar,
manter ou melhorar a função de diversos tecidos, como o tecido ósseo.
Os enxertos ósseos podem ser classificados como autógenos, alógenos,
xenógenos e aloplásticos.
Os enxertos autógenos são aqueles retirados do próprio paciente, de uma
área chamada doadora, a fim de poder ser transferido a uma área receptora (local
de implantação do enxerto).
Os enxertos alógenos são aqueles obtidos dos tecidos ósseos de
indivíduos da mesma espécie do receptor; são processados em condições de
esterilidade e armazenados com várias formas e tamanhos nos bancos de ossos
humanos.
Os enxertos exógenos são obtidos de uma espécie diferente daquela onde
o material será utilizado, sendo mais comumente obtidos de bovinos e,
eventualmente, de suínos e caprinos. São produzidos a partir da porção
inorgânica do tecido ósseo, de origem animal.
Os enxertos aloplásticos, como as biocerâmicas, surgiram pela dificuldade
21
ou impossibilidade de se utilizar o enxerto autógeno, e alguns fatores como
desconforto pós-operatório, morbidade do sítio doador, limitação da quantidade
de enxerto e pela possibilidade de transmissão de doenças dos enxertos
alógenos ou autógenos.
A resposta obtida após implantação de um biomaterial (GUTIERRES,
2006), enxerto aloplástico, é a formação de um hematoma, com uma resposta de
tipo inflamatória com chamada de água e glicoproteínas, que revestem e aderem
ao implante.
Por quimiotactismo, numerosas células são recrutadas para o local (reação
de corpo estranho). Seguidamente, inicia-se a angiogénese, com a migração e
proliferação de células que irão formar uma rede de capilares que constituirá o
suporte vascular da zona de implante. Por fim, devido à ação de citoquinas e de
diversos fatores de crescimento vai ocorrer um processo de diferenciação das
células com a formação de matriz óssea e de osso imaturo.
A maturação e remodelação que encerram este processo salientam a
semelhança que existe com a fisiologia da formação do calo ósseo, subsequente
a uma fratura.
2.3. Biomateriais
A definição de biomateriais mais aceita atualmente é a da Conferência de
Consenso em Biomateriais para aplicações clínicas, 1982, a qual conceitua
biomaterial como “Toda substância (com exceção de drogas) ou combinação de
substâncias, de origem sintética ou natural, que durante um período de tempo
indeterminado é empregado como um todo ou parte integrante de um sistema
para tratamento, ampliação ou substituição de quaisquer tecidos, órgãos ou
funções corporais” (WILLIAMS, 1987).
Biomateriais devem apresentar propriedades especiais, as quais devem ser
adaptadas de acordo com a aplicação a que destinam. De forma geral, não
devem produzir qualquer resposta biológica adversa, local ou sistêmica, devem
ser resistentes à corrosão e ao desgaste (HENCH, 2005). Entretanto,
dependendo da sua aplicação diferentes pré-requisitos podem ser requeridos,
sendo em alguns casos, completamente opostos. Por exemplo, implantes ósseos
do tipo scaffold polimérico (implante que tem como objetivo desenvolver suportes
22
sintéticos ou utilizar arcabouços naturais) precisam ser biodegradáveis, pois serão
substituídos ao longo do tempo por tecido celular do próprio paciente. Já os
componentes de válvulas mecânicas cardíacas precisam ser materiais
bioestáveis, resistentes ao desgaste e não degradáveis, pois poderão ser usadas
por períodos de 20 anos ou mais (DAGUANO, 2011).
Existem alguns pré-requisitos que o biomaterial deve preencher e podem
ser divididos em quatro grupos (TEOH, 2004). Para resposta biológica aos
biomaterias, os dois primeiros pré-requisitos são fatores essenciais para o êxito
da aplicação do biomaterial no organismo.
- Biocompatibilidade: o implante deve resistir ao ataque dos sistemas
biológicos sem sofrer degradação ou perda de função e sem liberar substâncias
lesivas ao hospedeiro, ao mesmo tempo em que o hospedeiro não deve sofrer
problemas físicos ou químicos pela presença do material.
- Biofuncionalidade: propriedades físicas e mecânicas que permitem que
um biomaterial desempenhe a função planejada.
- Esterilização: o material deve ser apto a ser submetido à esterilização,
não afetando suas propriedades. Técnicas de esterilização incluem o uso de
radiação gama, de gás oxi-etileno e o processo de autoclavagem.
- Manufatura: o implante deve ser conformado na forma desejada, usando
métodos economicamente viáveis, sem comprometimento das propriedades do
material. Entretanto, esta última etapa é a que dificulta a produção real do
dispositivo médico.
Dependendo do tipo de material implantado no corpo do indivíduo, o tecido
local reage de forma diferente. O tipo de interação tecido-implante depende da
resposta do tecido à superfície do implante. Assim os biomateriais podem ser
classificados em, segundo Hench e Wilson:
- Inertes: materiais tolerados pelo organismo, mas em que a formação de
tecido envoltório fibroso é mínima, praticamente inexistente. O material não libera
nenhum tipo de componente ou, sendo mais realista, o faz em quantidades
mínimas. Os materiais bioinertes mais utilizados são alumina, zircônia, titânio,
ligas de titânio e carbono.
23
- Bioativos: materiais em que ocorrem ligações de natureza química entre
material e tecido ósseo (osteointegração). Em função da similaridade química
entre estes materiais e a parte mineral óssea, os tecidos ósseos se ligam a eles,
permitindo a osteocondução por meio do recobrimento por células ósseas. Os
principais materiais desta classe são os vidros e vitrocerâmicas à base de fosfatos
de cálcio, a hidroxiapatita e os compostos de fosfato de cálcio.
- Porosos: a fixação desse tipo de material ocorre através do crescimento
tissular para dentro de seus poros, com ligação mecânica, sendo conhecida por
fixação do tipo biológica. Exemplos: hidroxiapatita porosa, metais revestidos com
hidroxiapatita.
- Reabsorvíveis: após implantação, o biomaterial começa a se dissolver
(ser absorvido) e lentamente é substituído por tecido fibroso. Exemplos: ácido
poliláctico, polímeros biodegradáveis, sais de fosfato de cálcio.
A Figura 2.3 apresenta uma classificação dos materiais para implante
relativamente à interação com o meio fisiológico e a Tabela 2.2 mostra as
aplicações químicas dos biomateriais, suas vantagens e desvantagens.
Figura 2.3 - Classificação dos materiais para implante relativamente à interação com o meio fisiológico (REIS, 2011 apud WILLIAMS, 1987).
24
Tabela 2.2 – Aplicações químicas dos biomateriais (adaptado KAWACHI et al., 2000).
Biomaterial Vantagens Desvantagens Aplicações
Polímeros
Polietileno
PTFE
Poliéster
Poliuretano
PMMA
Silicone
Elasticidade, fácil
fabricação, baixa
densidade
Baixa resistência
mecânica,
degradação
dependente do
tempo
Suturas, artérias,
veias; maxilofacial
(nariz, orelha,
maxilar, mandíbula,
dente); cimento,
tendão artificial;
oftalmologia
Metais e Ligas
Aço inoxidável
Liga de titânio
Liga de cobalto-
cromo
Alto limite de
resistência, alta
resistência a
desgaste, energia
de deformação alta
Baixa
biocompatibilidade,
corrosão em meio
fisiológico, perda
das propriedades
mecânicas com
tecidos conectivos
moles, alta
densidade
Fixação ortopédica
(parafusos, pinos,
placas, fios, hastes);
implantes dentários
Cerâmicas e
Vidros
Alumina
Zircônia
Carbono
Fosfatos de cálcio
Porcelana
Vidros bioativos
Boa
biocompatibilidade,
resistência à
corrosão, inércia,
alta resistência à
compressão
Baixo limite de
resistência, baixa
resistência
mecânica, baixa
elasticidade, alta
densidade
Ossos, juntas,
dentes, válvulas,
tendões, vasos
sanguíneos e
traquéias artificiais
Compósitos
Fibra de carbono-
resina termofixa
Fibra de carbono-
termoplástico
Carbono-carbono
Fosfato de cálcio-
colágeno
Boa
biocompatibilidade,
inércia, resistência
à corrosão, alta
força de tensão
Material de
fabricação
incompatível
Válvula cardíaca
artificial (carbono ou
grafite pirolítico),
implantes de juntas
de joelho (fibra
carbono reforçada
com polietileno de
alta densidade
25
2.3.1. Bioatividade
Em 1967, Larry L. Hench foi desafiado a tentar resolver o problema de
milhares de soldados que voltavam da Guerra do Vietnã e estavam tendo braços
e pernas amputados, devido a implantes defeituosos. O cientista iniciou o trabalho
em 1969 e dois meses depois apresentou um vidro que se soldava tão bem aos
ossos e tecidos de ratos, que os pesquisadores não conseguiam separá-los.
Aparentemente o vidro que Hench havia desenvolvido atraía células ósseas. Em
1985, foi aprovada a utilização do Bioglass®, para substituir os ossos do ouvido
médio, restaurando a audição (DAGUANO, 2011). Hench havia descoberto uma
nova classe de materiais médicos, também conhecidos como bioativos.
Assim, Hench introduziu o conceito de bioatividade “um material que
retorna uma resposta específica na sua interface, resultando na formação de uma
ligação entre os tecidos e o material”.
A bioatividade foi verificada, pois o biovidro descoberto em contato com o
tecido ósseo e na presença de fluidos corpóreos possibilita em sua superfície, a
formação de uma camada apatítica que possui a mesma composição química e
mesma estrutura do tecido mineral dos ossos e dentes (COSTA, 2004). A
interface entre o implante bioativo e o osso é próximo do que ocorre naturalmente
entre ossos, tendões e ligamentos.
Os materiais bioativos representam uma classe de materiais que têm a
capacidade de formar uma ligação interfacial forte com o tecido vivo adjacente,
entretanto, o tempo para que esta ligação ocorra, o mecanismo da ligação, a
espessura da zona de ligação e as propriedades mecânicas desta camada
formada, vão variar para cada material (HENCH, 1991). Essa ligação interfacial
ocorre pela formação da hidroxiapatita (HA) que cresce como aglomerados
policristalinos, e fibrilas de colágeno são incorporadas dentro desses
aglomerados, vinculando a superfície inorgânica do implante aos constituintes
orgânicos do tecido (HENCH e WILSON, 1993).
Para separar os diferentes materiais bioativos, Hench e Wilson propuseram
duas classes de bioatividade: Osteoindutora (Classe A), e Osteocondutora
(Classe B). Os materiais osteoindutores são aqueles que aderem ao tecido duro e
mole, pois provocam respostas intracelular e extracelular, sendo que a intracelular
apresenta fatores que estimulam a diferenciação fenotípica em osteoblastos
26
(osteoindução), possibilitando a proliferação de tecido ósseo em sua superfície,
devido a um aumento da atividade destes osteoblastos. Já os osteocondutores
são os que aderem somente em osso, pois provocam apenas uma resposta
extracelular à sua superfície, ou seja, o implante simplesmente providencia uma
interface biocompatível, sobre a qual células responsáveis pela produção de
tecido ósseo consigam aderir, crescer e atravessar todo o material
(osteocondução).
A bioatividade do material pode ser verificada através de submersão do
material em soluções que simulem os fluidos corpóreos, ou seja, testes in vitro.
Atualmente, a solução mais usada em teste de verificação de bioatividade é a
SBF-K9 (Simulated Body Fluid), uma solução aquosa acelular e aproteica com
concentração iônica próxima à do plasma sanguíneo, desenvolvida por Kokubo e
Takadama, 2006. Na Tabela 2.3 podemos comparar as soluções simuladoras
mais utilizadas com o plasma sanguíneo.
Tabela 2.3 – Comparação das soluções simuladoras com o plasma sanguíneo em (mol/L) (MARQUES, 2003).
Na+ K+ Mg2+ Ca2+ Cl- HCO3- HPO4
2- SO42-
Plasma Sanguíneo 142,0 5,0 1,5 2,5 103,0 27,0 1,0 0,5
Kokubo (SBF-K9)* 142,0 5,0 1,5 2,5 147,8 4,2 1,0 0,5
Kokubo (SBF revisada)** 142,0 5,0 1,5 2,5 103,0 27,0 1,0 0,5
Ringer 133,5 5,0 2,6 1,0 142,2 2,4 1,14 -
Neuman 125,0 25,0 0,48 0,4 130,0 24,0 1,08 -
* Tampão utilizado: tris-(hidroximetil)aminometano/ácido clorídrico. ** Tampão utilizado: HEPES [2-(4-92-hidroxietil)-1-piperazinil ácido sulfônico
etano)]
Estudos para compreender a formação da camada de apatita sobre a
superfície do material existem muitos, porém o seu mecanismo ainda não está
definido. Esses mecanismos são considerados essenciais para desenvolver
materiais bioativos com novas funções físicas, químicas e biológicas.
As dificuldades para entender este mecanismo estão relacionadas com as
diferentes fases de fosfatos que podem ser precipitadas, dependendo de algumas
condições da solução, como concentração e pH. Para desenvolver estudos nesse
27
campo, é importante utilizar soluções simuladoras com composição variada, para
ser mais fácil entender o papel da composição química no processo de deposição
(ANDRADE, 1999).
Peitl et al explicam detalhadamente a bioatividade em cerâmicas vítreas do
sistema SiO2-Na2O-CaO-P2O5. A formação da camada de hidroxiapatita na
superfície de materiais bioativos acontece através de reações que ocorrem no
material e são mais rápidas quanto maior o nível de bioatividade. Estas reações
estão resumidas abaixo em cinco estágios. Na Figura 2.4 podemos visualizar
esses estágios:
Estágio I: Rápida troca de Na+ ou K+ com H+ ou H3O+ da solução,
Si-O-Na+ + H+ + OH- ⇒ Si-OH + Na+ (solução) + OH-
Estágio II: Perda da sílica solúvel na forma de Si(OH)4 para a solução que
é o resultado da quebra das ligações Si-O-Si e formação de Si-OH (silanóis) na
interface vidro solução:
2(Si-O-Si) + 2(OH) ⇒ Si-OH + OH-Si
Estágio III: Condensação e repolimerização da camada rica em SiO2 na
superfície que é esgotada em álcalis e cátions de alcalinos:
2(Si-OH) +2(OH-Si) ⇒ -Si-O-Si-O-Si-O-Si-O-
Estágio IV: Migração de grupos Ca2+ e PO4
3- para a superfície através da
camada rica em SiO2 formando um filme rico em CaO-P2O5 em cima da camada
rica em SiO2, seguido do crescimento de um filme amorfo rico em CaO-P2O5 pela
incorporação de cálcio solúvel e fosfato da solução.
Estágio V: Cristalização do filme amorfo de CaO-P2O5 pela incorporação de
OH-, CO32- da solução para formar uma camada mista de hidroxiapatita.
Strnad afirma que a camada de gel de fosfato de cálcio citada é
inicialmente amorfa e gradualmente (1 – 6 semanas) muda para uma camada
policristalina de apatita. Após a cristalização, a camada também incorpora
componentes orgânicos, como o colágeno, por exemplo.
A camada bioativa apresenta diferentes taxas de adesão do osso aos
implantes bioativos. Isto depende da composição química, fase vítrea,
solubilidade, etc. do enxerto.
A adesão dos vidros bioativos da Classe A é obtida pela liberação de Si na
forma de ácido silícico devido à troca de íons e dissolução, o que rapidamente
promove a formação da camada de sílica-gel que acelera a precipitação de
28
fosfato de cálcio amorfo que, por sua vez, cristaliza rapidamente a HA (1 – 10
horas em SBF-K9). Os biovidros da Classe B têm baixa ou nenhuma troca de íons
e/ou dissolução e somente formam HA acima de 100 horas em testes in vitro
(HENCH, 1994)
Após o estágio V, segundo Hench, ocorrem mais cinco etapas:
Etapa I: A adsorção de proteínas específicas na camada SiO2-HA;
Etapa II: Ação de macrófagos;
Etapa III: Adesão e diferenciação celular;
Etapa IV: Formação de matriz celular e;
Etapa V: Mineralização da matriz.
Figura 2.4 – Representação do mecanismo de formação da Hidroxiapatita na superfície de um vidro bioativo do sistema SiO2-CaO-Na2O-P2O5 (SIQUEIRA e ZANOTTO, 2011)
2.3.2. Biocerâmicas
Cerâmicas projetadas e fabricadas para reparar e reconstruir partes do
corpo danificadas ou doentes são chamadas biocerâmicas. Nos últimos quarenta
anos, novas cerâmicas estão sendo desenvolvidas para esse fim. As
biocerâmicas têm diversas composições e fases diferentes, as mais utilizadas são
as apatitas (estrutura policristalina) e os vidros (amorfos) e suas funções estão
relacionadas às fases presentes nos materiais (PAIVA, 2005).
As biocerâmicas tem seu uso restringido às regiões que não requerem
sustentação, pois apresentam baixa resistência mecânica. Uma forma de
29
contornar tal restrição é a utilização de metais revestidos com cerâmicas, que
permitem aliar as vantagens das biocerâmicas com a resistência do metal.
As biocerâmicas têm sido empregadas na forma densa e na forma porosa,
como indicado na Tabela 2.4. Apesar de o aumento da porosidade diminuir a
resistência mecânica do material isoladamente, a existência de poros com
dimensões adequadas pode favorecer o crescimento de tecido através deles,
fazendo com que ocorra um forte entrelaçamento do tecido com o implante,
aumentando, a resistência do material in vivo (KAWACHI et al., 2000).
Tabela 2.4 – Classificação das biocerâmicas (adaptada KAWACHI et al., 2000).
Tipo de
Biocerâmica Exemplos
Inertes Alumina
Porosas Aluminatos e
hidroxiapatita porosos
Bioativas Biovidros, hidroxiapatita e
vitro-cerâmicas
Reabsorvíveis Gesso e fosfato tricálcico
2.3.2.1. Biovidro
O biovidro é um tipo de material biocerâmico com uma variedade de
composições químicas. Como já dito anteriormente, foi descoberto e desenvolvido
por Larry Hench em 1969, sendo que somente em 1971, surgiram peças de
biovidro para aplicações em humanos (HENCH, 1991).
Hench verificou que os biovidros, mesmo com todas as suas vantagens
com relação à bioatividade, apresentavam dois problemas que afetavam sua
aplicação: primeiro, as superfícies serem cortantes, que é a característica dos
vidros e segundo, sua fragilidade.
Para contornar a questão da fragilidade alguns pesquisadores sugeriram a
cristalização do material, tornando-o mais resistente, no caso de uma peça
monolítica (COSTA, 2004). A combinação com materiais mais resistentes e a
variação estequiométrica dos óxidos permitiu o desenvolvimento de novos
materiais com inúmeras aplicações, observando que a capacidade de um vidro se
ligar ao tecido ósseo, sofrer biodegradação e formar uma camada apatítica
30
superficial, varia em função da sua composição e relação dos seus constituintes
(GUTIERRES, 2006).
Levando em conta apenas vidros e vitrocerâmicas bioativas, tem sido
observado na literatura que existe uma série de concentrações limitadas que
exibe alto índice de bioatividade. A relação entre composição e bioatividade para
vidros do sistema SiO2-CaO-Na2O-P2O5, obtidos pelo processo de
fusão/solidificação, é mostrada na Figura 2.5, segundo Siqueira e Zanotto, na qual
é assumida concentração constante de 6 % em massa de P2O5. No diagrama, as
delineações em cinza indicam o limite cinético e não o de equilíbrio de fases.
Figura 2.5 - Diagrama ternário SiO2-CaO-Na2O mostrando a relação existente entre composição e índice de bioatividade (adaptada SIQUEIRA e ZANOTTO, 2011).
Na região central do diagrama, designada pela letra E, se encontram as
composições dos vidros que exibem o índice de bioatividade mais elevado para
esse sistema. As composições que contêm de 52 a 60 % em massa de SiO2
apresentam taxas de ligação mais lentas com o tecido ósseo. Acima de 60 % de
SiO2 (região B), não há formação de ligação com o tecido, assumindo o material
comportamento bioinerte.
Até 1981, imaginava-se que somente o tecido ósseo podia interagir com os
materiais bioativos. Wilson et al. foram os primeiros a demonstrar que o Bioglass®
45S5 também exibia interação com o tecido conjuntivo, desde que a interface
estivesse imóvel. Posteriormente, esses autores ainda mostraram que apenas os
vidros com taxas rápidas de reação superficial são capazes de interagir com o
tecido conjuntivo, restringindo de maneira considerável as composições que
A = ligação com o tecido ósseo
B = não ocorre ligação com os tecidos (baixa reatividade)
C = não ocorre ligação com os tecidos (alta reatividade) D = não ocorre ligação com os tecidos (não forma vidro)
E = composição do Bioglass® 45S5
S = ligação com o tecido conjutivo
SiO2
CaO Na2O
6% P2O5
% P2O5 Variável
31
exibem essa propriedade, conforme pode ser observado no diagrama (região S).
Essa constatação serviu de base para o uso do Bioglass® 45S5 em
procedimentos cirúrgicos destinados à reconstituição da cadeia ossicular,
conhecido como ossiculoplastia, e também na sua aplicação para a preservação
do rebordo alveolar em pacientes submetidos à exodontia (extração dos dentes) e
posterior colocação de implantes.
O Bioglass® 45S5 foi a primeira composição comercial, e mais popular,
com porcentagem em massa de 24,5 % Na2O-24,4 % CaO-6 % P2O5-45 % SiO2 e
inicialmente, acreditava-se que P2O5 fosse necessário para a bioatividade, mas
depois verificou-se que P2O5 ajuda a nuclear (produzir) a fase de fosfato de cálcio
na superfície (SIQUEIRA e ZANOTTO, 2011).
Peitl et al demonstraram que no sistema SiO2-Na2O-CaO-P2O5, a
quantidade de P2O5 influencia positivamente na formação de hidroxiapatita (HA),
Ca10(PO4)6(OH)2, ou seja, na concentração de 6 % de P2O5 a formação foi mais
rápida (8 h) que na composição sem P2O5 (35 h).
Outro fator importante a ser considerado na obtenção do biovidro, quando
este for utilizado em pó, é o tamanho das partículas, para prevenir a sua migração
através do sistema linfático. Sabe-se agora que a utilização clínica de biovidros,
cujo tamanho oscila entre 90-710 μm de diâmetro, não origina os problemas de
migração que ocorrem com partículas menores (GUTIERRES, 2006).
2.4. Técnicas de Caracterização
Para selecionar adequadamente o material em estudo, é necessária sua
caracterização. A caracterização está relacionada com as propriedades do
mesmo, ou seja, cada material tem suas próprias características. Dependendo do
uso do material ou característica requerida poderá abranger a avaliação de
propriedades mecânicas, elétricas, bioatividade, imunogenicidade, eletrônicas,
magnéticas, ópticas, químicas, térmicas e até mesmo a combinação de duas ou
mais destas propriedades.
Uma caracterização microestrutural desejável envolve a determinação da
estrutura cristalina, composição química, quantidade, tamanho, forma e
distribuição das fases. A determinação da estrutura cristalina normalmente
envolve a utilização de técnicas de difração, tais como difração de raios X,
32
elétrons ou nêutrons. Para determinação da composição química das fases e
microrregiões são mais utilizadas as análises de raios X por comprimentos de
onda ou por dispersão de energia. A quantidade, tamanho, morfologia e
distribuição das fases e defeitos cristalinos são características estudadas com
auxílio de microscopia óptica (MO), eletrônica de varredura (MEV) e, eletrônica de
transmissão (MET).
Neste projeto foi dada ênfase na técnica de caracterização química
elementar por espectrometria de fluorescência de raios x por energia dispersiva
(ED-FRX), uma das técnicas mais usadas para determinar a composição dos
materiais, pois com esse tipo de análise podemos saber se ele se encontra na
região de bioatividade ou em qual delas, dentro do diagrama ternário do sistema
SiO2-Na2O-CaO-P2O5.
2.5. Espectrometria de Fluorescência de Raios X (FRX)
Espectrometria de fluorescência de raios X é um método analítico usado
para a determinação da composição química elementar de amostras quaisquer,
tanto orgânicas, como inorgânicas. Nesse método, a amostra pode estar nos
estados sólido, monolítico, líquido ou em solução, ou em pó.
Nessa técnica a excitação geralmente é provocada por irradiação da
amostra com um feixe de raios X proveniente de um tubo de raios X ou de uma
fonte radioativa. Assim, os elementos presentes na amostra são excitados pela
absorção do feixe primário e emitem suas próprias linhas características de
fluorescência de raios X. A fluorescência de raios X (FRX) é uma poderosa
ferramenta para determinações rápidas e quantitativas de todos os elementos,
excetos os mais leves. Além disso, a FRX é usada para a identificação qualitativa
dos elementos que possuem número atômico maior que o oxigênio (> 8) e é
frequentemente usada para análise elementar quantitativa e semiquantitativa
(Skoog, 2009).
Uma vantagem especial da FRX é que ela é não-destrutiva, ao contrário de
muitas outras técnicas elementar. Assim não é necessária uma grande
quantidade de amostra e sua preparação é simples e apresenta alta precisão, já
que seu amplo intervalo de análise alcança a faixa de ppm.
As análises quantitativas são feitas através de comparações com padrões
33
específicos, já as análises semiquantitativas também são realizadas através de
padrões, porém são usados padrões não específicos, que são uma excelente
ferramenta. O tempo de análise pode ser de segundos a 30 minutos, pois esse
tempo varia com o número de elementos, concentrações e valor de exatidão
requerida (RATTI, 2008).
2.5.1. Conceitos de Fluorescência de Raios X
O princípio da técnica é a irradiação da amostra por raios X primários
proveniente de uma lâmpada (tubo) com posterior emissão de raios X
secundários (fluorescentes). A absorção de raios X produz íons eletronicamente
excitados que retornam a seus estados fundamentais por transições envolvendo
elétrons de níveis de energia mais altos.
Quando um elemento de uma amostra é excitado, este tende a ejetar os
elétrons do interior dos níveis dos átomos, e como consequência disto, elétrons
dos níveis mais afastados realizam um salto quântico para preencher a vacância.
Cada transição eletrônica constitui uma perda de energia para o elétron, e esta
energia é emitida na forma de um fóton de raios X, de energia característica e
bem definida para cada elemento com intensidade proporcional à concentração. A
descrição acima pode ser observada pelo Figura 2.6. Assim, de modo resumido, a
análise por fluorescência de raios X consiste de três fases: excitação dos
elementos que constituem a amostra, dispersão dos raios X característicos
emitidos pela amostra e detecção desses raios X, caracterizando o elemento
(NASCIMENTO FILHO, 1999). Entretanto, os comprimentos de onda das linhas
de fluorescência são sempre um pouco maiores do que aqueles das arestas de
absorção correspondentes, porque a absorção remove o elétron do íon (isto é, a
ionização), enquanto a emissão são transições de um elétron de um nível de
energia mais alto do íon (Skoog, 2009).
34
Figura 2.6 – Esquema ilustrativo da produção de fótons de fluorescência. (a) elétron sendo ejetado por um fóton incidente; (b) elétron em L3 preenchendo a
vacância em K e produzindo fóton de fluorescência contribuinte da linha K; (c) elétron em M5 preenchendo a vacância em L3, a diferença de energia dessas
duas camadas é equivalente a um fóton da linha L (BELMONTE, 2005).
Uma fonte de raios X é um tubo sob alto vácuo no qual é montado um
catodo, consistindo de um filamento de tungstênio, e um anodo volumoso. O
anodo geralmente consiste de um bloco de cobre com um alvo metálico
depositado ou incrustado na superfície. Os materiais-alvo incluem metais como
tungstênio, crômio, cobre, molibdênio, ródio, escândio, prata, ferro e cobalto.
Separadamente, circuitos são usados para aquecer o filamento e acelerar
os elétrons para o alvo. O circuito aquecedor fornece o meio para controlar a
intensidade dos raios X emitidos, enquanto o potencial de aceleração determina
suas energias ou comprimentos de onda.
Os detectores dessa técnica normalmente funcionam como contadores de
fótons. Assim, pulsos individuais de carga são produzidos pela radiação, são
absorvidos pelo transdutor e, em seguida, são contados. A contagem de fótons
necessita tempos de resposta rápidos do transdutor e do processador de sinal
para que a chegada de fótons individuais possa ser detectada e registrada com
exatidão. Portanto para que isso ocorra não é possível aplicar feixes de
intensidade baixa, pois os pulsos de fótons começam a se sobrepor (Skoog,
2009).
35
2.5.2. Dispersão dos raios X
Um dos métodos usados na espectrometria de fluorescência de raios X é
a dispersão de energia (ED-FRX), também chamado de não dispersivo, ilustrados
esquematicamente na Figura 2.7.
Figura 2.7 - Representação esquemática fonte – amostra – detector para fluorescência de raios X (BELMONTE, 2005).
Um espectrômetro de raios x dispersivo de energia é composto por: uma
fonte policromática (tubo de raios X ou um material radioativo), um porta
amostras, um detector semicondutor e os alguns componentes eletrônicos
necessários à discriminação de energia.
Uma vantagem óbvia dos sistemas dispersivos de energia é a
simplicidade e a ausência de partes móveis para excitação e detecção do
espectrômetro. Além disso, não possuir colimadores e um cristal difrator, bem
como a proximidade entre o detector e a amostra, tem como resultado um
aumento da energia que chega ao detector de 100 vezes ou mais.
Em um instumento dispersivo de energia, todas as linhas dos raios X
emitidos são medidas simultaneamente. O aumento na sensibilidade e a melhora
na razão sinal/ruído resultam de métodos matemáticos. A principal desvantagem
dos sistemas dispersivos de energia em comparação aos espectrômetros com
cristal é sua baixa resolução em comprimentos de onda maiores do que 1 Ǻ. Por
outro lado, em comprimentos de onda menores, os sistemas de energia
dispersiva mostram uma maior resolução (Skoog, 2009).
36
2.5.3. Calibração
Nas calibrações são usados padrões internacionais ou secundários, muito
semelhantes às amostras a serem trabalhadas, com concentrações conhecidas,
pois essa técnica é comparativa. A quantidade de padrões a ser usado é
diretamente proporcional à faixa de concentração e variações de matriz, ou seja,
composição global da amostra que se quer cobrir. O uso de 10 a 20 padrões é um
número considerável, porém quanto maior a quantidade de padrões maior será a
confiabilidade da análise.
Os valores obtidos em contagens são plotados nas ordenadas, versus as
concentrações conhecidas, nas abcissas. Por aproximações matemáticas (ler
item 2.5.4. Análises Quali-Quantitativas), regressão linear, define a reta de
calibração. Os pontos obtidos normalmente estão muito próximos à reta, mesmo
antes de algum tipo de correção, porque os padrões escolhidos são de matriz
semelhante à da amostra. Pode acontecer de um ou outro ponto se afastar da
reta, portanto esse será o ponto que irá receber maior atenção em relação aos
demais, pois esse ponto está mostrando ou um erro de preparação daquele
padrão, ou algum outro tipo de erro que pode ocorrer na rotina, por diferença de
matriz ou interferências interelementares não esperadas, e jamais esse ponto
deve ser simplesmente excluído.
Um ponto abaixo da reta pode significar alta absorção da radiação, devido
à presença de elementos pesados que não constam no grupo que se pretende
determinar. Em pastilhas prensadas, pode ser efeito de granulometria, em ligas
metálicas pode ser devido a diferentes preparações entre os padrões e amostras.
Já um ponto acima da reta significa matriz mais leve do que as demais (Ratti,
2008).
Para a realização de uma calibração para análises quantitativas,
idealmente devem ser usados 2N+1 padrões, onde N corresponde ao número de
analitos a serem determinado. No entanto, nem sempre existe materiais de
referência em número suficiente disponível, e se existem nem sempre são
caracterizados para todos os elementos de interesse. Quando padrões
certificados são encontrados a análise é chamada de quantitativa e, muitas das
vezes, apresentam menor erro do que as análises semiquantitativas
(NASCIMENTO FILHO, 1999).
37
Os métodos ou programas de análises semiquantitativas usam cálculos de
parâmetros fundamentais e a sensibilidade instrumental. A sensibilidade
instrumental é conseguida com padrões uni ou multielementares, em contagens
por segundo versus massa (cps/0,1mg), e expressa a sensibilidade, o espectro do
tubo de raios X do equipamento, sistema óptico e contaminações do sistema.
Uma vez conseguida a sensibilidade instrumental, o recurso dos
parâmetros fundamentais (corrigindo efeitos de matriz e interelementares) permite
a calibração de um programa semiquantitativo. A partir desta calibração, a
quantificação de amostras desconhecidas fica completamente desvinculada de
padrões semelhantes às amostras, e dependente unicamente do equipamento
(RATTI, 2008).
2.5.4. Análises Quali-Quantitativas
Os instrumentos modernos de fluorescência de raios X são capazes de
realizar análises quantitativas de materiais complexos com precisão maior ou
igual àquela dos métodos químicos clássicos por via úmida. Entretanto, para obter
alta exatidão nessas análises, é necessário padrões de calibração, cuja
composição química e física seja a mais semelhante possível àquela amostra, ou
métodos adequados para compensar os efeitos matriz.
Para obter uma estimativa da concentração, nessa técnica, a seguinte
relação é utilizada:
Px = PsWx (Equação 2.1)
Onde Px é intensidade relativa da linha medida em relação ao número de
contagens para um período fixo e Wx é a fração em peso do elemento em estudo
na amostra. O fator Ps é a intensidade relativa da linha que poderia ser verificada
sob condições de contagem idênticas e se Wx fosse unitária. O valor de Ps é
determinado com a amostra de um elemento puro ou com uma amostra padrão
de composição conhecida.
O uso da Equação 2.1, descrita no parágrafo anterior, é apenas teórica,
pois leva a ideia de que a emissão da espécie de interesse não é afetada pela
presença de outros elementos na amostra que pode causar uma intensificação ou
uma diminuição da intensidade medida, gerando curvas acentuadas, chamado de
efeito matriz. Entretanto, esta incerteza é quase nula comparada àquela
38
associada à análise semiquantitativa por emissão óptica, onde são comuns erros
de ordens de grandeza.
É importante notar que os raios X produzidos no processo de fluorescência
são gerados não apenas dos átomos da superfície da amostra, mas também
pelos átomos logo abaixo da superfície. Assim, uma parte das radiações
(incidente e resultante), da fluorescência, atravessa uma camada significativa da
amostra, sendo que pode ocorrer absorção e espalhamento. A extensão pela qual
cada feixe é atenuado depende do coeficiente de absorção em massa do meio, o
qual é determinado pelos coeficientes de absorção de todos os elementos da
amostra.
Os efeitos de absorção pela matriz podem causar resultados diferentes
daqueles calculados pela Equação 2.1. Se, por exemplo, a matriz contém uma
quantidade significativa de um elemento que absorve o feixe incidente ou o feixe
emitido mais fortemente do que o elemento que está sendo determinado, Wx será
pequeno, porque Ps foi avaliado com um padrão no qual a absorção era pequena.
Por outro lado, se os elementos da matriz na amostra absorvem menos do que
aqueles presentes no padrão, resultam valores alto para Wx.
Um segundo efeito matriz, chamado de efeito de intensificação, pode
fornecer resultados maiores do que os esperados. Este comportamento aparece
quando a amostra contém um elemento cujo espectro característico de emissão é
excitado pelo feixe incidente, e esse espectro, por sua vez, causa uma excitação
secundária da linha analítica (Skoog, 2009).
A prensagem de pós e a exposição de peças metálicas ou cerâmicas à
fluorescência de raios X sofrem a influência da granulometria do pó ou da
rugosidade da superfície. Como regra geral, quanto mais fina a granulometria ou
mais polida a superfície, maior é a intensidade da radiação fluorescente, pois
granulometrias grosseiras farão com que existam "sombras" de uma partícula
sobre a outra. Em amostras nas quais diferentes espécies estão presentes, a
granulometria é importante também por questões de homogeneidade: a diferença
entre os tamanhos das partículas e a densidade das espécies levam a misturas
heterogêneas pontuais e, consequentemente, a erros na quantificação (RATTI,
2008). Como no caso da amostra da Figura 2.8.
39
Figura 2.8 – Efeito da Granulometria (RATTI, 2008).
Antes de qualquer análise é efetuada a calibração do instrumento para as
aplicações desejadas. A precisão analítica final e a exatidão das análises
dependem de vários fatores como a estabilidade instrumental, o procedimento de
calibração, a incerteza associada aos valores recomendados dos materiais de
referência usados para calibração do instrumento, a preparação da amostra e a
estratégia adotada para manter os resultados dentro de certos limites aceitáveis.
Mesmo com todos os cuidados a possibilidade de erros sérios não é
excluída, podendo gerar imprecisão e tendências, nas análises. É importante o
conhecimento dos tipos de erros porque eles possuem diferentes fontes,
correções e consequências para a interpretação dos dados.
A Tabela 2.5 apresenta as prováveis fontes de erros nas medidas
analíticas, conforme descrita por Kane.
Observar a heterogeneidade da granulometria na superfície que será analisada. Isso ocorre porque a amostra apresenta duas fases.
40
Tabela 2.5 – Fontes de erros mais prováveis nas medidas analíticas (KANE, 1997).
Incertezas associadas com a amostra
Amostra não apropriada para o propósito da medida
Amostra apropriada, mas instável durante o uso ou o armazenamento
Incerteza da amostra maior que o propósito da medida
Amostra não homogênea
Erros ao acaso
Repetibilidade da medida instrumental
Repetibilidade analítica
Erros pequenos
Erros de transcrição da massa e ou do sinal de registros analíticos
Erro de leitura do sinal analógico
Mau funcionamento do instrumento durante as medidas
Perda de amostra devido à ineficiência técnica
Erros analíticos
Desconhecimento dos fatores que influenciam a exatidão das medidas
Não correção ou correção incompleta dos efeitos matriz
Não correção ou correção incompleta de interferências espectrais
Separação ou pré-concentração incompleta do analito da sua matriz
Incertezas nos valores dos materiais de referência utilizados na
calibração
Aproximações e suposições incorporadas no processo de medida
Incertezas em massas, materiais volumétrico, etc...
Resolução instrumental insuficiente
Controle inadequado das condições ambientais
2.5.5. Preparação de amostras
A primeira etapa de qualquer análise é realizar um tratamento adequado à
amostra, tendo como objetivo sua preparação para os próximos passos da análise
(KRUG, 2004). A primeira questão a ser respondida é: Qual o propósito da
análise? E sua resposta é bem simples, pois a forma com que irá preparar a
amostra para análise depende de sua natureza, dos elementos a serem
41
determinados e suas respectivas concentrações, do método de análise, da
precisão e exatidão requeridas.
Assim, deixa-se claro que ocorrendo algum problema em relação à análise
química realizada, o problema, muitas das vezes, não está na técnica usada ou
no equipamento, e sim na forma errônea em que a amostra foi preparada. Para
que a amostragem tenha um significado, mais uma questão deve ser respondida:
O quanto a amostra deve ser representativa? Essa segunda questão começa pelo
tipo de análise que irá ser realizada, porque se a análise for quantitativa o nível de
precisão e exatidão requeridas, serão maiores.
Nas preparações, os erros mais comuns ocorrem por perdas e
contaminação nos vários processos da preparação e estocagem; moagem e
peneiramento, oxidação e redução, hidratação e desidratação também colaboram
(RATTI, 2008).
Embora amostras líquidas e gasosas possam ser analisadas, o estado
habitual em que as amostras são submetidas ao FRX é o sólido, por várias razões
de ordem prática:
- a técnica responde perfeitamente a amostras sólidas;
- evitam-se diluições que levam à perda de sensibilidade;
- por ser uma técnica não destrutiva, trabalhando-se sobre amostras
sólidas pode-se executar diferentes análises e repetições, bem como reutilizar
amostras e padrões secundários;
- a disponibilidade de padrões primários, sólidos e pós, é ampla e não há
consumo.
A forma mais simples de amostras é a amostra tal qual, isto é, sem
preparação alguma, da forma que a amostra chega ao laboratório. Alguns fatores
dificultam a utilização direta das amostras como o tamanho, heterogeneidade na
composição e a homogeneidade no tamanho da amostra. O maior problema é o
da heterogeneidade local, pois a penetração dos raios X no espécime é de
poucos microns e quando o espécime é heterogêneo o que é analisado não é
representativo do espécime como um todo.
Uma forma prática de preparar amostras é confeccionar uma pastilha de pó
compactado, nas dimensões adequadas ao equipamento. O empastilhamento de
42
pós é normalmente feito em uma cubeta de alumínio, de diâmetro de 24 ou 30
mm, com ou sem um substrato, dependendo da quantidade e da plasticidade da
amostra, sendo suficientes 15 a 25 ton para compactação, dependendo do
material. O substrato normalmente usado é o ácido bórico. Toda e qualquer
amostra em pó ou passível de moagem pode ser trabalhada desta forma, desde
que diferenças de granulometria e de matriz não sejam acentuadas.
No caso de baixa agregabilidade, algumas substâncias podem ser
adicionadas à amostra para melhor compactação, como o amido, celulose ou
ácido bórico. A adição de materiais ligantes causa uma diluição na amostra que
deve ser a mesma da curva de calibração. O ligante deve ser livre de elementos
contaminantes e não deve apresentar interferências nas análises.
Quando as amostras apresentam problemas como: suas partículas com
dureza muito variada podendo apresentar desvios em uma quantificação em
pastilha prensada, como também, o efeito matriz, ser tão frisado que a diluição
em substâncias sólidas de coeficiente de absorção alto, não seja o suficiente para
contornar as diferenças entre uma amostra e outra.
A solução desses problemas é fazer o uso de amostras fundidas,
empregando-se um fundente adequado, destruindo-se os grãos e diluindo-se as
amostras sendo o efeito matriz eliminado. As fusões não são feitas somente para
eliminar o efeito matriz, como também para incluir um padrão interno, sendo
seguramente homogêneas, às amostras. O padrão interno também é medido,
com os elementos a serem analisados, como meio de comparação para a
absorção de cada amostra, seguida de uma correção matemática simples.
O fundente tem a função de diminuir a temperatura de fusão da amostra e
o mais utilizado é o tetraborato de lítio misturado com o carbonato de lítio. Para a
confecção da amostra é utilizada a proporção 6:1 (sendo 6 partes de fundente e 1
de amostra). E ao guardar as pastilhas fundidas, é necessário cuidado, pois são
higroscópicas.
A fusão ocorre em um forno apropriado e normalmente em cadinhos de
platina. O material pode impregnar nas paredes do cadinho. Para isso não
acontecer algumas gotas de brometo de lítio são adicionadas antes da fusão. O
objetivo das fusões é reagir todos os compostos, adquirindo uma solução total
resfriada para obter um vidro, não cristalino, chamado de pérola.
As principais fontes de erros na preparação das amostras (e conservação
43
dos padrões) são devidas ao manuseio, incluindo distrações como:
- Contaminações com: poeira, material da amostra anterior, material dos
equipamentos;
- Perda de massa: perda de pequenas partículas (pós), material aderido
aos cadinhos ou equipamentos de preparação ou nas pesagens;
- Alterações na composição química: seja por perda de material ou
substâncias voláteis, seja por contaminação ou alteração por mudanças físicas ou
químicas na preparação;
- Superfície das amostras: uniformidade, impressões digitais, identidade
com padrões;
- Decaimento das contagens: higroscopia, oxidação superficial,
contaminação.
44
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Esse capítulo tem como propósito descrever as etapas para a síntese e
caracterização do biovidro. A Figura 3.1 mostra um fluxograma que resume o
processo utilizado nesse trabalho.
Figura 3.1 – Fluxograma das etapas da síntese do biovidro e sua caracterização.
3.1. Materiais
Os reagentes utilizados no desenvolvimento deste trabalho foram:
Ácido Fosfórico 98 %;
Bicarbonato de Sódio 99,7%;
Hidróxido de Cálcio 95%;
Óxido de Silício 99,9%.
45
3.2. Métodos Experimentais
3.2.1. Preparação do Biovidro
A composição adotada nesse trabalho foi o sistema descrito por Hench et
al, 1993, registrado como Bioglass® 45S5, cuja composição básica utiliza Na2O,
CaO, SiO2 e P2O5. A Figura 3.2 apresenta um fluxograma detalhando o processo
de obtenção do biovidro sintetizado neste trabalho.
Figura 3.2 Fluxograma de preparação do biovidro
Os reagentes foram pesados em balança analítica (± 0,0001 g) e
misturados em um moinho de atrito por 1 hora em rotação de 1500 rpm, utilizando
etanol como veículo e bolas de ZrO2-Y2O3 como meio de mistura. Finalizada a
homogeneização, a mistura foi levada a um evaporador rotativo (Figura 3.3) onde
foi seca e logo em seguida desaglomerada com o auxílio de um conjunto de
peneiras até malha mínima de 80 mesh.
46
O pó obtido foi fundido em uma mufla à temperatura de 1400 °C ao ar por 4
horas em um cadinho de platina. O resfriamento ocorreu com taxa de 10 °C/min
até a temperatura de 200 °C. Em seguida, novamente o material foi aquecido até
600 °C, por mais 2 horas, para sua completa cristalização. O resfriamento dessa
etapa também ocorreu com taxa de 10 °C/min, até temperatura ambiente. O vidro
obtido foi moído após resfriamento até temperatura ambiente.
Figura 3.3 – Evaporador rotativo utilizado para a obtenção do biovidro.
3.2.2. Técnicas de Caracterização do Biovidro
3.2.2.1. Análise Térmica
A definição usualmente aceita para análise térmica foi originalmente
proposta pelo Comitê de Nomenclatura da Confederação Internacional de
Análises Térmicas (ICTA) sendo, subsequentemente, adotada tanto pela União
Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC), quanto pela Sociedade
Americana de Testes de Materiais (ASTM).
Análise térmica é um termo que abrange um grupo de técnicas nas quais
uma propriedade física ou química de uma substância, ou de seus produtos de
reação, é monitorada em função do tempo ou temperatura, enquanto a
temperatura da amostra, sob uma atmosfera específica, é submetida a uma
programação controlada.
A fim de definir a faixa de temperatura de decomposição, nucleação e
cristalização dos reagentes do biovidro, transformações envolvendo absorção e
47
evolução de calor foi realizada uma análise térmica por calorimetria exploratória
de varredura (DSC).
3.2.2.2. Análise por Espectrometria de Fluorescência de Raios X (FRX)
A análise realizada foi uma variante analítica da fluorescência de raios X,
que se baseia na dispersão de energia. Foi realizada análise semiquantitativa
com o intuito de determinar a composição do biovidro.
A amostra prensada foi preparada pesando em uma balança analítica 1
grama de bórax, borato de sódio, e 1 grama de biovidro. Ambos foram prensados
formando uma pastilha. Na Figura 3.4 mostra o equipamento de ED-FRX utilizado
para a análise.
Figura 3.4 – Equipamento de Fluorescência de Raios X por Energia Dispersiva.
3.2.2.3. Propriedades Biológicas
Para ser comprovada a bioatividade do biovidro produzido, foi realizado o
teste de biocompatibilidade. Nesse teste, corpos de prova com medidas pré-
determinadas são submersas em uma solução simuladora do fluido corpóreo
(SBF – Simulated Body Fluid) e depois é verificado se houve formação de uma
camada de hidroxiapatita que comprova a biocompatibilidade.
Para a confecção das amostras, o biovidro foi prensado na forma cilíndrica
48
com dimensões 9 mm de diâmetro e 10 mm de altura. As 12 amostras foram
tratadas à temperatura de 600 °C.
O preparo da solução do SBF é um processo delicado e sua metodologia
deve seguir uma sequência inflexível, apresentados na Tabela 3.1. Caso isso não
ocorra, pode haver precipitação de sais na solução, o que resulta em sua
inutilização. Assim, em um béquer utilizando 500 mL de água deionizada em
agitação, onde os reagentes foram adicionados obedecendo-se a seqüência
correta, sendo que o próximo reagente não foi adicionado enquanto o anterior não
tinha sido solubilizado totalmente. A temperatura foi mantida em 37 °C. O
conteúdo foi transferido a um balão volumétrico, o qual foi completado com água
deionizada até 1 L. Após agitação do balão o conteúdo foi passado para outro
frasco e conservado em geladeira.
Tabela 3.1 – Sequência dos reagentes a serem adicionados no preparo da solução SBF de acordo com Andrade (REIS, 2011 apud ANDRADE, 1999).
Reagentes Quantidade (g) para 1 L de solução
Cloreto de Sódio 15,95
Bicarbonato de Sódio 0,710
Fosfato dibásico de Sódio 0,545
Cloreto de Magnésio 0,615
Cloreto de Potássio 0,745
Cloreto de Cálcio 0,400
Sulfato de Cálcio 0,175
As amostras foram limpas, desengorduradas em equipamento de
ultrassom, lavadas com água deionizada e secas em uma estufa a 120 °C. Os
experimentos foram realizados em tubos de ensaios devidamente limpos e com
tampa.
Foram acrescentados 130 mL da solução SBF nos tubos, onde as
amostras foram amarradas por um fio de nylon, e submersas na solução de
acordo com a Figura 3.5. A quantidade de solução foi calculada de acordo com a
norma ISO 23317, ou seja, considerando a relação área superficial da amostra e
volume da solução. Em seguida, foram colocadas em estufa mantendo uma
temperatura constante de 37 °C. As amostras foram divididas em 4 grupos com 3
amostras cada, correspondentes a 7, 14, 21 e 28 dias de contato com a solução
SBF.
49
Figura 3.5 – Esquema do teste de biocompatibilidade (REIS, 2011).
A solução foi analisada por espectrofotômetro de absorção atômica para
avaliar as concentrações de cálcio e sódio na solução simuladora antes e após os
períodos de submersão.
50
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1. Caracterização do Biovidro
4.1.1. Análise Térmica
Primeiramente, antes da obtenção do biovidro, foi feita uma análise térmica
para caracterizar as faixas de temperatura para a decomposição, nucleação e
cristalização da mistura dos reagentes. A Figura 4.1 mostra o resultado da análise
por calorimetria exploratória diferencial (DSC).
Na Figura 4.1 pode-se observar uma região endotérmica, ou seja, onde os
reagentes se decompõem na faixa de 570 a 650 °C e mostra uma região
exotérmica, ou seja, onde ocorre a nucleação e a cristalização dos reagentes na
faixa de 1050 a 1150 °C.
Figura 4.1 – Análise de DSC da mistura de reagentes (REIS, 2011).
4.1.2. Análise de Fluorescência de Raios X por Energia Dispersiva (ED-FRX)
Essa análise foi realizada com o objetivo de determinar a composição do
biovidro sintetizado, tanto seus compostos, quanto suas quantidades. A Tabela
4.1 mostra o resultado obtido.
51
Tabela 4.1 – Análise por ED-FRX do biovidro obtido.
Substâncias % em massa
Na2O 12,1
CaO 20,2
SiO2 61,2
P2O5 6,2
Os resultados apresentados pela Tabela 4.1 mostram que o vidro
produzido realmente é um biovidro, pois sua composição está dentro da região de
bioatividade indicado pelo diagrama obtido nos estudos de Hench, como pode ser
verificado na Figura 4.2.
Pequenas diferenças em relação às porcentagens calculadas podem
ocorrer, pois os cálculos para fabricação do vidro não representam exatamente as
composições na prática. E também esses cálculos apenas consideram a forma
ideal de obtenção, não levando em conta fatores como mudanças no teor de
umidade presentes nas matérias-primas, perdas de massa devido ao transporte
ou perdas por volatilização durante a fusão.
Figura 4.2 – Diagrama de Hench indicando onde está localizado o resultado do
biovidro.
Resultado da amostra A = ligação com o tecido ósseo
B = não ocorre ligação com os tecidos (baixa reatividade)
C = não ocorre ligação com os tecidos (alta reatividade) D = não ocorre ligação com os tecidos (não forma vidro)
E = composição do Bioglass® 45S5
S = ligação com o tecido conjutivo
SiO2
CaO Na2O
6% P2O5
% P2O5 Variável
52
4.1.3. Teste de Biocompatibilidade (teste in vitro)
As amostras do biovidro submersas com o fluido simulador foram
examinadas para constatar a formação de hidroxiapatita. Essas amostras foram
pesadas antes e depois do teste. A Figura 4.3 mostra a grande perda de massa
da amostra que ficou submersa uma semana, provavelmente a amostra se
dissolveu na solução, porém isso não continua ocorrendo com as outras amostras
que permaneceram mais tempo na solução, isso mostra que a partir da segunda
semana de contato elas começam a ganhar massa, ou seja, hidroxiapatita
começa a ser formada.
Figura 4.3 – Variação de massa das amostras após o teste (REIS, 2011).
Per
da
de
mas
sa (
%)
Tempo (dias)
53
4.1.3.1. Teste de Absorção Atômica da solução SBF
Esse teste foi aplicado para acompanhar a variação de concentração dos
íons sódio e cálcio na solução SBF.
Para esse teste ser realizado, uma curva de calibração foi preparada, para
cada íon, utilizando padrões rastreáveis.
Todas as amostras do biovidro que ficaram submersas foram analisadas e
os resultados obtidos para o íon sódio encontram-se na Figura 4.4.
Figura 4.4 – Concentração obtida do íon sódio (REIS, 2011).
Na Figura 4.4 é possível observar que houve o aumento da concentração
do íon Sódio na solução simuladora, que pode ser explicado pelo fato de ocorrer
troca iônica deste íon pertencente ao biovidro com os íons H+ da solução.
Si-O-Na+ + H+ + OH- → SiOH+ + Na+ (solução) + OH-
O mesmo procedimento foi realizado para o íon cálcio e os resultados
obtidos encontram-se na Figura 4.5.
54
Figura 4.5 – Concentração obtida do íon cálcio (REIS, 2011).
A Figura 4.5 mostra a diminuição da concentração de íons cálcio da
solução simuladora, essa diminuição é mais acentuada após 14 dias. Isto pode
ser explicado, pois no início existe uma migração dos íons para a solução, quando
esta atinge a saturação, os íons cálcio começam a se depositar na superfície do
material resultando em uma diminuição da concentração deste íon na solução.
A formação de hidroxiapatita na superfície do vidro pode ser explicada pela
Figura 2.4 (citada no item 2.3.1 Bioatividade, página 28), que mostra as reações
entre o vidro e a solução SBF. Conforme exemplificado na figura, a concentração
do íon sódio aumenta na solução devido à troca iônica entre os íons presentes na
superfície do material com os íons H+ da solução. Nesta etapa ocorre à formação
de grupos silanol (Si−OH). Pode-se notar pelos resultados obtidos na análise de
absorção atômica que a concentração dos íons sódio aumentou e o peso da
amostra diminuiu na primeira semana. Já a concentração do íon cálcio teve um
decaimento com o tempo e seu peso não apresentou grandes variações, a partir
da segunda semana, porque depois da saturação da solução com os íons,
começou a ocorrer sua deposição na superfície do vidro, formando uma camada
de hidroxiapatita.
55
5. CONCLUSÕES
A rota adotada para obtenção do biovidro apresentou-se adequada.
A composição do biovidro sinterizado ficou dentro da região de ligação com
o tecido ósseo no diagrama proposto por Hench.
A técnica de análise elementar Espectrometria de Fluorescência de Raios
X por Energia Dispersiva mostrou-se adequada.
56
6. Referências
ANDRADE, M. C. Nucleação e crescimento de hidroxiapatita em titânio. Tese Doutorado - COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil, 1999. ASHBY, M. F. Materials Selection in Mechanical Design, 3ª ed. 603p, 2005. BELMONTE, E. P. Espectrometria por Fluorescência de Raios X por Reflexão Total: Um estudo Simulado Utilizando o Método de Monte Carlo. 2005. 164p. Tese Mestrado. COPPE/UFRJ – Rio de Janeiro, 2005 COSTA, E. da. Preparação e Caracterização de um Biovidro para Preenchimento Ósseo. 2004. 56f. Dissertação de Mestrado. Universidade Estadual de Ponta Grossa, PR 2004. DAGUANO, J. K. M. F. Biovidros e vitrocerâmicos bioativos do sistema 3CaO.P2O5-SiO2-MgO para aplicações biomédicas: processamento e caracterizações estruturais, mecânicas e biológicas. 2011. 202p. Tese Doutorado. Escola de Engenharia de Lorena – Universidade de São Paulo, 2011. GAO T.; ARO H. T.; YLÄNEN H.; VUORIO. Silica-based bioactive glasses modulate expression of bone morphogenetic protein-2 mRNA in Saos-2 osteoblasts in vitro. Biomaterials v 22, 2001; p 1475-1483. GUTIERRES, M. et al. Substituos Ósseos – Conceitos Gerais e Estado Actual. Arquivos de Medicina. v. 19 (4), p.153-162, 2006. HENCH, L. L. Bioceramics: From Concept to Clinic. Journal of the American Ceramic Society, v. 74 n. 7, p 1487-510, 1991. HENCH, L. L. ; WILSON, J. Introduction. In: An Introduction to Bioceramics. Singapore: World Scientific, 1993, v.1, p.1-25. (Advanced series in bioceramics). HENCH L L. Bioceramics: theory and clinical application, in: Andersson O H e Yli-Urpo A (Eds), Proceedings of the 7th International Symposium on Ceramics in Medicine, Turku,1994. 7:3.
57
HENCH, L. L.; WEST, J. K. Biological applications of bioactive glasses. Life Chemistry Reports, v.13, p. 187-241, 1996. HENCH, L. L.; PEREIRA, M. M.; ORÉFICE, R. L.; JONES, J. R. Biocompatibilidade, bioatividade e engenharia de tecidos. In: Oréfice, R. L.; Pereira, M. M.; Mansur, H. S. Biomateriais: Fundamentos e Aplicações. Rio de Janeiro: Editora Cultura Médica, 2005. Cap. 16, p. 481 – 505. ISO FDIS 23317, Implants for surgery - In vitro evaluation for apatite-forming ability of implant materials, 2005. JUNQUEIRA, L. C.; CARNEIRO, J. Histologia Básica 10ª ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, p 139, 2004. KANE, J. S. Analytical Bias: the neglected component of measurement uncertainty. Analysr, 122, 1997. 1283 – 1288. KAWACHI, E. Y.; BERTRAN, C. A.; REIS, R. R.; ALVES, O. L. Biocerâmicas: Tendências e perspectivas de uma área interdisciplinar. Química Nova, v. 23, n. 4, p. 518-522, 2000. KOKUBO, T.; TAKADAMA, H. How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity? Biomaterials, v. 27, p. 2907-2915, 2006. KRUG, F. J. Métodos de decomposição de amostras, V Workshop sobre preparo de amostras, FAPESP, São Paulo, SP 2004 LIMA, I. R. Efeito do zinco na biocompatibilidade in vitro e in vivo ge grânulos de zinco-apatita 5% em comparação com a hidroxiapatita. 2006. 93p. Dissertação Mestrado – Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2006 LUTOLF, M.P. et al. Repair of bone defects using synthetic mimetics of collagenous extracelular matrices. Nature Biotechnology, v.21, n.5, p.513-518, 2003. MARQUES, P. A .A. P; SERRO, A. P.; SARAMAGO, B. J.; FERNANDES, A. C.; MAGALHÃES, M. C. F.; CORREIA, R. N. Mineralisation of two phosphate ceramics in HBSS: role of albumin. Biomaterials, v. 24, n. 3, p. 451-460, 2003.
58
MUNDSTOCK, K. B. Obtenção e caracterização de biovitrocerâmicas celulares do sistema Na2O-CaO-SiO2-P2O5. 2010. 138f. Tese Doutorado. Universidade Federal de Santa Catarina, 2010. NASCIMENTO FILHO, V. F. Fluorescência de raios X por reflexão total: fundamento e aplicações. Piracicaba: CENA/USP, p 93, 1997. NASCIMENTO FILHO, V. F. Técnicas analíticas nucleares de fluorescência de raios X por dispersão de energia (EDXRF) e por reflexão total (TXRF). Piracicaba: ESALQ, Depto. de Física e Meteorologia; CENA, 32f, 1999. PAIVA, A. O. Obtenção, caracterização e estudo in vitro do vidro bioativo VH30 e compósitos vidro bioativo/polihidroxibutirato. 2005. 95f. Dissertação Mestrado. Universidade Federal de Itajubá, 2005. PEITL, O.; ZANOTTO, E.D. e HENCH, L.L. Higly bioactive P2O5-Na2O-CaO-SiO2 glass-ceramics. J. Non-Cryst Solids, v. 292, p. 115-126, 2001. RATTI, G. XIII Curso de fluorescência de raio X, Workshop sobre difusão de amostras. Universidade de São Paulo. São Paulo, SP 2008. 64f. REIS, F. H. S. Materiais bioengenheirados: cerâmicas a base de alumina incorporadas com biovidro. 2011. 139f. Tese Doutorado. Escola de Engenharia de Lorena – Universidade de São Paulo, 2011. RIBEIRO, G. B. M. Obtenção de biomateriais porosos utilizando sílica coloidal como aglutinante. 2009. 51f. Trabalho de Diplomação. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, RS 2009. RING M.E. História Ilustrada da Odontologia. 1ª ed. Editora Manole: São Paulo, 1998. SHIMANO, M. M. Microestruturas e propriedades mecânicas de osso cortical e trabecular de ratos, após período de sustentação pela cauda e exercitação. 2006. 154p. Tese Doutorado. Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto, Universidade de São Paulo, Ribeirão Preto, 2006. SKOOG D.A., HOLLER F.J., Crouch S.R. Princípios de análise instrumental. 6ª ed Bookman, 1056p, 2009.
59
SIQUEIRA, R. L.; ZANOTTO, E. D. - BIOSILICATO®: Histórico de uma vitrocerâmica brasileira de elevada bioatividade. Quim. Nova, Vol. 34, n°. 07, 1231-1241, 2011. TEN CATE. Histologia bucal desenvolvimento, estrutura e função. 5ª edição Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 439p, 2001. TEOH, S. H. Introduction to biomaterials engineering and processing – an overview. In: Hin, T. S. Engineering Materials for biomedical applications. Singapore: World Scientific, 2004. p. 1-15. TUREK, S. L. Ortopedia: princípios & sua aplicação. São Paulo: Manole, 1991. WILLIAMS, D. F. Progress in biomaterial engineering: Definition in Biomaterials. Amsterdam: Elsevier, 1987, v. 4.
![Cristina Bellon [ L’ORA BREVE ] - Astronomia News · mentore nell’Odissea, o anche della peste dei Promessi Sposi, ... Giovanni F. Bignami Presidente dell’Istituto Nazionale](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/5c689cc709d3f290788bc280/cristina-bellon-lora-breve-astronomia-mentore-nellodissea-o-anche.jpg)
