Artigo | Júlia Bünecker Cassel e Luis Alberto Loureiro dos Santos, da Engenharia de Materiais, apresentam o resultado de um estudo para obtenção de material biomimético capaz de proporcionar a regeneração do tecido ósseo
*Por: Júlia Bünecker Cassel e Luis Alberto Loureiro dos Santos
*Foto: Arquivo Pessoal
Segundo a Organização Mundial de Saúde (OMS), o número de casos de condições e defeitos musculoesqueléticas tem aumentado rapidamente devido ao crescimento e envelhecimento populacional, com projeções de um aumento ainda maior nas próximas décadas. Essas condições são as maiores contribuintes para traumas em todo o mundo, atingindo 1,71 milhão de pessoas; os tratamentos atuais, porém, ainda não são adequados ao número crescente de traumas.
Com isso, pesquisadores têm investido em outros métodos para a regeneração óssea, de forma a suprir essas demandas. Um dos principais focos é o desenvolvimento de cimentos de fosfato de cálcio, um substituto ósseo de alto potencial. Esses cimentos são formados a partir de um pó de fosfato de cálcio que irá reagir com uma fase líquida, formando uma pasta moldável que pode ser utilizada em procedimentos minimamente invasivos e que endurece após alguns minutos, de forma muito similar ao cimento Portland usado na construção civil.
Dentro dos diversos cimentos de fosfato de cálcio estudados, o que apresenta maior destaque é o cimento baseado em α-fosfato tricálcico (α-TCP). Este reage com o líquido, formando hidroxiapatita deficiente em cálcio (CDHA), um material de maior semelhança química com o osso e que permite o crescimento de novas células ósseas. Esse tipo de material pode ser considerado um “osso sintético”, que pode ser total ou parcialmente reabsorvido pelo organismo, formando uma nova estrutura óssea. As propriedades mecânicas deste cimento, entretanto, ainda não são suficientes para a sua aplicação clínica mais extensa, somente sendo utilizado na regeneração de locais de baixa solicitação de carga.
Para o aumento das propriedades mecânicas desse material, diversos pesquisadores focaram na adição de fibras naturais ao cimento, as quais provocam mínima reação inflamatória ao corpo. Dentre as fibras naturais, a que apresenta melhores propriedades mecânicas é a fibroína de seda, uma fibra presente no interior dos fios de seda com ótimas propriedades biológicas. Esse material também apresenta a capacidade de orientar o crescimento dos cristais de hidroxiapatita, permitindo a obtenção de uma estrutura biomimética ao osso, ou seja, uma estrutura com grande semelhança ao tecido ósseo. A obtenção desse tipo de estrutura é extremamente importante, pois permite uma maior compatibilidade com as células que irão auxiliar na regeneração do tecido.
Com isso, nossa pesquisa pretendeu desenvolver um cimento de fosfato de cálcio baseado em α-TCP e reforçado com fibroína de seda, de forma a se obter um material biomimético com propriedades mecânicas mais adequadas para a regeneração do tecido ósseo, atuando como um substituto ósseo.
Para isso, foi preparada uma pasta moldável com pó de α-TCP e uma solução de fibroína de seda, que atua como a fase líquida para preparação do cimento. Foram utilizadas soluções de diferentes concentrações, de forma a se obter um cimento com concentrações de fibroína variando de 0,25 a 1,0% em peso. Os cimentos obtidos foram caracterizados por técnicas físico-químicas para verificação da composição destes e por ensaios mecânicos para a avaliação de suas propriedades mecânicas.
As análises químicas demonstraram que a adição de fibroína de seda, mesmo em concentrações tão pequenas quanto 0,25%, induziu a transformação completa do α-TCP em CDHA. Essa transformação completa nunca havia sido reportada na literatura e demonstra a capacidade da fibroína de seda de orientar o crescimento dos cristais de CDHA, de forma a evitar a formação dos chamados “grãos de Hadley” – estruturas em que se forma uma casca de material reagido (CDHA) ao redor de grãos de α-TCP ainda não solubilizados, o que impossibilita a transformação completa deste em CDHA. A obtenção dessa substância é de grande importância em cimentos de fosfato de cálcio, já que esse material possui maior semelhança química e cristalográfica ao osso, permitindo a regeneração desse tecido pelo crescimento de células ósseas em sua superfície.
Além disso, foi possível a obtenção de aumento da resistência à compressão para todas as variantes com fibroína de seda, obtendo-se um aumento de 153% com relação ao cimento de fosfato de cálcio sem aditivo. Foram realizados também ensaios de tenacidade à fratura, os quais avaliam a resistência do material às trincas presentes em sua estrutura e garante uma maior estabilidade estrutural, impedindo que se rompa. Obteve-se, novamente, um aumento dessa propriedade em todas as variantes modificadas, com aumento de até 450% com relação ao cimento de fosfato de cálcio sem fibroína de seda. Esses valores garantem uma maior estabilidade estrutural do cimento sob as solicitações mecânicas presentes no local em que será implantado.
Por fim, a obtenção de imagens de microscopia permitiu a verificação da microestrutura do cimento obtido. Foi possível notar que, com o aumento da quantidade de fibroína de seda no material, os cristais de CDHA apresentaram menor tamanho e uma maior orientação. Essa morfologia com cristais agulhados é, possivelmente, uma das causas do aumento das propriedades mecânicas dos materiais desenvolvidos, pois possibilita um maior travamento mecânico da estrutura.
Além disso, a morfologia demonstra grande semelhança à microestrutura da fase mineral óssea, garantindo o biomimetismo do material.
Com base nos resultados, pudemos concluir que a metodologia de obtenção de cimento de fosfato de cálcio reforçado com fibroína de seda foi eficaz na obtenção de estruturas biomiméticas, com propriedades mecânicas superiores à do cimento de fosfato de cálcio puro e com potencial aplicabilidade na regeneração do tecido ósseo. Em pesquisas próximas, serão investigados métodos de manufatura aditiva (impressão 3D) e realizados estudos biológicos para comprovar a biocompatibilidade e potencial uso clínico do material desenvolvido.
Júlia Bünecker Cassel é graduanda em Engenharia de Materiais na UFRGS.
Luis Alberto Loureiro dos Santos é professor no Departamento de Materiais e no PPGE3M da UFRGS.
“As manifestações expressas neste veículo não representam obrigatoriamente o posicionamento da UFRGS como um todo.”