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AVALIAÇÃO DO TRATAMENTO DE COMPOSIÇÕES A BASE DE CIMENTO
DE ALUMINATO DE CÁLCIO EM SOLUÇÃO DE SILICATO DE SÓDIO
P. M.S. C. Marciano Leite*, T. L. Andrade*, V. C. Pandolfelli**, I. R. Oliveira*
*Universidade do Vale do Paraíba – Univap
**Universidade Federal de São Carlos - UFSCar
Av. Shishima Hifumi 2911, São José dos Campos – SP, 12244-000
RESUMO
Estudos relatam aplicação dos cimentos de aluminato de cálcio (CAC) na
ortopedia para reparo de defeitos ósseos devido a sua composição e coeficiente de
expansão térmica bastante semelhante ao do osso humano. O objetivo desse
trabalho foi avaliar o comportamento de CAC e de suas composições em contato
com solução simuladora de fluido corporal (SBF) após tratamento com solução de
silicato de sódio (SS). As composições foram preparadas pela adição de aditivos,
bem como compostos como alumina, zircônia, óxido de zinco, hidroxiapatita, fosfato
tricálcico, quitosana e colágeno ao CAC. Inicialmente as amostras foram mantidas
em contato com solução SS durante 7 dias a 37oC sendo posteriormente lavadas,
secas a temperatura ambiente e mantidas em contato com água e SBF a 37oC.
Medidas de pH e concentração de íons Ca2+ foram realizadas para as amostras em
função do tempo (até 21 dias). Amostras também foram mantidas em contato com
SBF durante 21 dias em um shaker e suas superfícies após secagem ao ambiente
foram avaliadas por MEV e espectroscopia Raman Confocal. A composição CAC-
fosfato apresentou maior recobrimento da superfície com fase rica em fosfato de
cálcio.
Palavras-chave: cimento aluminoso, bioatividade, silicato de sódio, SBF.
60º Congresso Brasileiro de Cerâmica15 a 18 de maio de 2016, Águas de Lindóia, SP
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INTRODUÇÃO
O cimento de aluminato de cálcio (CAC) é um biomaterial que vem sendo
bastante estudado na área de ortopedia para a reconstrução óssea. Este cimento
possui a vantagem de não necessitar de campo seco para sua aplicação, apresenta
baixa temperatura durante a pega e um tempo de reação que pode ser controlado
pela adição de aditivos específicos(1,2).
O CAC apresenta-se como um material bioativo em um ambiente biológico
simulado(1). Quando um material bioativo é colocado em contato com SBF, íons Ca2+
e OH- são liberados acentuando a supersaturação da solução o que induz a
precipitação de hidroxiapatita sobre a superfície do material. Um material bioativo é
definido como aquele que promove uma resposta específica na interface do material
o que resulta na formação de uma ligação entre o tecido e o material. Estes
materiais apresentam a capacidade de criar uma ligação química interfacial com o
tecido vivo, uma ligação que é frequentemente igualmente tão forte ou mais forte do
que o osso(3).
A solução SBF é uma solução de sais inorgânicos compostos para imitar a
composição e concentração iônica do plasma sanguíneo. A determinação da
bioatividade in vitro de um material é o primeiro passo na determinação se um
material é ou não bioativo in vivo, isto é, quando implantado no corpo(4).
O mecanismo geral de como um material específico se liga aos tecidos vivos
varia com os materiais bioativos com, entretanto, uma completa similaridade entre
todos eles. Uma camada de hidroxiapatita (HA) biologicamente ativa é formada na
superfície quando o material é introduzido no corpo(4,5). Assim, o estudo in vitro da
formação de apatita na superfície em SBF tem sido útil como o primeiro teste de
bioatividade.
A maior importância da HA nesta área de bioatividade é devido à equivalência
biológica dos constituintes inorgânicos do osso. Uma camada de HA formada sobre
o material é reconhecida pelo corpo e não ira ser recoberto por uma camada fibrosa.
A camada de cristais de apatita é então capaz de se ligar ao tecido duro fornecendo
bioatividade ao material(6-9).
O tratamento da superfície das amostras com silicato de sódio (SS) visa criar
pontes de silício que auxiliam a formação de fases de fosfato de cálcio, favorecendo
a nucleação de sítios que atraem os íons cálcio do meio(10).
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Sendo assim, neste trabalho diferentes composições a base de cimento de
aluminato de cálcio foram previamente tratadas em solução de silicato de sódio e
posteriormente avaliadas quanto à sua bioatividade quando colocadas em SBF.
MATERIAIS E MÉTODOS
Os materiais utilizados nesta etapa do trabalho foram: CAC (cimento de
aluminato de cálcio, Kerneos Aluminates – France), CACH produzido pela mistura à
seco de CAC com dispersante poliglicol (Bayer, 0,6%-p) e plastificante CaCl2.2H2O
(Labsynth, 2,8%-p) em moinho de bolas durante 1 hora; e os compostos: (1) alumina
calcinada (CT3000SG, Almatis), (2) zircônia (CC-10, Saint-Gobain), (3) óxido de
zinco (Synth), (4) hidroxiapatita (Sigma-Aldrich 21223), (5) fosfato tricálcico (Cadisa),
(6) quitosana (Polymar) e (7) colágeno bovino (tipo I, JBS).
Os compostos foram adicionados ao CACH em teores 4%-p, seguido de
homogeneização durante 1 hora com auxílio de moinho de bolas. Após a
homogeneização, as misturas foram usadas na preparação de suspensões aquosas
(80%-p de sólidos), com auxílio de agitador mecânico e usadas na preparação de
amostras (11 mm de diâmetro x 4 mm de altura) e (10 mm de diâmetro x 1 mm de
altura). Apenas para colágeno e quitosana foi adicionado 1%-p e utilizado
suspensões com 73 e 80%-p de sólidos, respectivamente.
Após a preparação, as amostras foram mantidas em estufa a 37 oC durante 24
horas em ambiente saturado. Após este tempo, as amostras foram desmoldadas e
mantidas a 37oC em ambiente saturado durante 3 dias. Após esse período foram
colocadas em contato com 33 ml de solução de silicato de sódio (SS, Na2O3Si,
Dinâmica) e armazenadas em estufa a 37 oC durante 7 dias. Após esse tratamento
as amostras foram lavadas com água destilada/deionizada, secas a temperatura
ambiente.
Amostras (11 mm x 4 mm) foram adicionadas a potes plásticos contendo 33 ml
de água ou solução simuladora de fluido corporal (SBF) e armazenadas em estufa a
37 oC. Medidas de pH e concentração de íons Ca2+ foram realizadas para as
amostras em função do tempo (até 21 dias). Foram utilizados um equipamento
medidor de pH (MA 522/E, Marconi) e um medidor multiparâmetros com eletrodo
seletivo para íons Ca2+ (série 930, Aprolab).
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A solução SBF foi preparada como apresentado na Tabela 1. A solução foi
preparada utilizando-se uma quantidade dos reagentes em uma proporção 1,5 vezes
superior (SBF 1,5) a concentração de íons (mM) inorgânicos presentes no plasma
humano a fim de acelerar a formação de apatita.
Tabela 1: Reagentes usados na preparação de um litro de solução de fluido corporal
simulado.
Reagentes SBF
água 400 mL
NaCl 11.992 g
NaHCO3 0.529 g
KCl 0.335 g
K2HPO4 0.261 g
MgCl2.6H2O 0.458 g
HCl 0.1M 15 ml
CaCl2.2H2O 0.551 g
Na2SO4 0.107 g
(CH2OH)3CNH2
0.05M
Teor necessário para ajuste pH= 7.25
HCl 0.1M Teor necessário para ajuste pH= 7.25
Amostras (10 mm x 1 mm) foram adicionadas a potes plásticos contendo 19 ml
de solução simuladora de fluido corporal (SBF) mantendo-se uma razão área
superficial/volume de 0,1 cm-1, durante 21 dias sob agitação a 37oC usando um
shaker MA420. Após esse período, as amostras foram levemente lavadas com água
para remover a solução e posteriormente secas à temperatura ambiente.
A superfície das amostras foi caracterizada usando as técnicas de microscopia
eletrônica de varredura (MEV) a fim de avaliar a interação do material com as
soluções de fluido corporal simulado.
A fim de caracterizar as fases formadas na superfície das amostras após
contato com SBF/SS todas as amostras usadas foram avaliadas usando a técnica
de espectroscopia Raman. As análises foram realizadas utilizando um sistema de
diagnóstico Rivers (modelo 3510) acoplado a um laser com fonte de excitação de
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785 nm. Analisou-se a impressão digital espectral (400-1200 cm-1) com tempo de
exposição de 5 segundos e 3 acumulações. Os espectros foram obtidos com o foco
apenas na superfície das amostras.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados das medidas de pH e concentração de íons cálcio em água e em
SBF após tratamento com solução de silicato de sódio (SS) são apresentados nas
Figuras 1 e 2.
Figura 1: pH em função do tempo para água e solução SBF em contato com
amostras após tratamento com silicato de sódio (SS).
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Figura 2: Concentração de íons cálcio para água e solução SBF em contato com
amostras após tratamento com silicato de sódio (SS).
O aumento do pH da solução de SBF após contato com um material bioativo
promove a precipitação de apatita na superfície do material. As reações superficiais
que ocorrem durante o teste in vitro (contato do material com a solução SBF)
também podem ser acompanhadas por meio das alterações da concentração do íon
Ca2+ presente na solução SBF. A análise química quantitativa do íon cálcio, em
função do tempo de ensaio, permite estabelecer uma relação com os estágios de
formação da camada de fosfato de cálcio(11).
Quando um material bioativo é colocado em contato com SBF, inicialmente
ocorre um aumento da concentração de íons cálcio em SBF com a migração desses
íons da amostra para a solução. Posteriormente ocorre uma queda da concentração
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de íons cálcio com a migração desses e do PO4-3 a partir da solução para a
superfície do material formando a camada de fosfato de cálcio(11,12).
Nas Figuras 1 e 2 observa-se o aumento do pH e da concentração de íons
cálcio quando mantidas as amostras em contato com água. Por outro lado, quando
em contato com SBF observa-se menor aumento do pH do meio devido a solução
SBF apresentar entre seus constituintes o tampão tris, (CH2OH)3CNH2. Também se
observa que ocorre o decréscimo na concentração de íons cálcio em SBF quando
em contato com as amostras, indicando a formação de apatita na superfície das
amostras.
Os resultados obtidos por microscopia eletrônica de varredura (MEV), a fim de
avaliar a interação do material com as soluções de fluido corporal simulado, são
apresentados na Figura 3.
Observa-se que as amostras avaliadas apresentaram bioatividade verificada
por meio da precipitação de fases (apatitas) na superfície das amostras. Isso esta de
acordo com o comportamento verificado da concentração de cálcio em SBF em
função do tempo. Com a precipitação de apatitas, a concentração de íons cálcio no
meio SBF diminuiu.
A amostra de fosfato de cálcio apresentou maior precipitação após tratamento
com SS.
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Figura 3: Microscopia eletrônica de varredura para amostras após contato com SS
durante 7 dias e SBF durante 21 dias.
Na espectroscopia Raman um feixe de radiação laser (monocromática),
portanto de baixa potência é usado para iluminar pequenas áreas do objeto de
interesse e ao incidir sobre a área definida, é espalhado em todas as direções,
sendo que uma pequena parcela dessa radiação é espalhada inelasticamente, isto
é, com frequência (ou comprimento de onda) diferente da incidente (E = hν ou E =
h.c.λ-1).
A diferença de energia entre a radiação incidente e a espalhada corresponde à
energia com que átomos presentes na área estudada estão vibrando e essa
frequência de vibração permite descobrir como os átomos estão ligados.
O gráfico que representa a intensidade da radiação espalhada em função de
sua energia (número de onda, cm-1) é chamado de espectro Raman. Cada espécie
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química fornece um espectro que é como sua impressão digital permitindo sua
identificação inequívoca.
Os espectros obtidos para as amostras de CACH contendo diferentes
compostos após tratamento com SBF/SS são apresentados na Figura 4. Após
tratamento com SS/SBF, é verificado pico característico do fosfato (~ 960 cm-1) mais
intenso para as amostras contendo fosfato concordando com os resultados do MEV.
Na região entre 900 e 1.100 cm-1 é esperado a contribuição dos grupos
funcionais PO43- e CO3
2- da hidroxiapatita(13,14). A presença da assinatura Raman em
960 cm-1 correspondente ao grupo fosfato confirma que sobre as superfícies das
amostras nucleou hidroxiapatita após a imersão em SBF.
A assinatura Raman típica da HA cristalina é um pico estreito em 960 cm-1
(13,15,16). O que não ocorre nos espectros das amostras que passaram pelos ensaios
de bioatividade. Estes dados permitem inferir que o grau de cristalinidade da HA
obtida nos ensaios de SBF/SS é baixo, pois os modos vibração tem ampla dispersão
nos seus valores.
Figura 4: Espectros Raman para amostras após contato com SS durante 7 dias e
SBF durante 21 dias.
CONCLUSÕES
A composição CACH-fosfato apresenta maior bioatividade quando comparado
aos outros compostos adicionados ao cimento de aluminato de cálcio como alumina,
zircônia, óxido de zinco, hidroxiapatita, quitosana e colágeno, verificada por meio da
precipitação de fases (apatitas) na superfície das amostras. Isso esta de acordo com
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o comportamento verificado da concentração de cálcio em SBF em função do
tempo. Com a precipitação de apatitas, a concentração de íons cálcio no meio SBF
diminui e ocorre também aumento do pH.
Após tratamento com SS/SBF, é verificado pico característico do fosfato (~ 960
cm-1) mais intenso para a amostra CACH-fosfato concordando com os resultados do
MEV. A presença da assinatura Raman em 960 cm-1 correspondente ao grupo
fosfato confirma que sobre a superfície da amostra nucleou hidroxiapatita após a
imersão em SBF.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a Fapesp (2013/22502-8 e 2014/08988-8) e CNPq pelo
suporte financeiro.
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ABSTRACT
EVALUATION OF TREATMENT OF ALUMINATE CEMENT COMPOSITIONS
BASED ON CALCIUM IN SOLUTION OF SODIUM SILICATE
Studies report application of calcium aluminate cement (CAC) in orthopedics
to repair bone defects due to its composition and thermal expansion coefficient,
which is very similar to human bone. The objective of this study was to evaluate the
behavior of CAC and its compositions in contact with solution of simulated body fluid
(SBF) after treatment with sodium silicate solution (SS). The compositions were
prepared by adding additives and compounds such as alumina, zirconia, zinc oxide,
hydroxyapatite, tricalcium phosphate, chitosan, and collagen to CAC. Initially, the
samples were kept in contact with SS solution for 7 days at 37 °C and subsequently
washed, dried at room temperature, and kept in contact with water and PBS at 37 °C.
pH and concentration of Ca2+ ions were measured for the samples as a function of
time (21 days). Samples were also kept in contact with SBF for 21 days in a shaker
and their surfaces after drying were evaluated by SEM and Raman Confocal
spectroscopy. CAC-phosphate composition showed greater surface coverage with
phase rich in calcium phosphates.
Key-words: calcium aluminate cement, bioactivity, SBF, sodium silicate.
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