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1 CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS CURSO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS MARIANA ALVES DE SOUZA SCAFFOLDS DE ACETATO DE CELULOSE CONTENDO VIDRO BIOATIVO PARA POTENCIAL APLICAÇÃO EM ENGENHARIA DE TECIDOS BELO HORIZONTE 2019 2 MARIANA ALVES DE SOUZA SCAFFOLDS DE ACETATO DE CELULOSE CONTENDO VIDRO BIOATIVO PARA POTENCIAL APLICAÇÃO EM ENGENHARIA DE TECIDOS Trabalho de conclusão de curso apresentado na disciplina TCC I, de Engenharia de Materiais, no Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais como requisito parcial para obtenção do título de bacharel em Engenharia de Materiais. Orientadora: Prof. Camila Silva Brey Gil Coorientador: Hermes de Souza Costa BELO HORIZONTE 2019 3 SUMÁRIO 1 Revisão Bibliográfica ...................................................................................................... 4 1.1 Engenharia de Tecidos.... ............................................................................................. 4 1.2 Scaffolds ....................................................................................................................... 6 1.2.1 Scaffolds para Engenharia de Tecidos ....................................................................... 6 1.2.2 Tecidos descelularizados ........................................................................................... 6 1.2.3 Hidrogéis.................................................................................................................... 7 1.2.4 Nanofibras poliméricas ............................................................................................... 8 1.2.4.1 Nanofibras de Acetato de Celulose ......................................................................... 9 1.3 A Técnica de Eletrofiação ............................................................................................ 11 1.3.1 Parâmetros da solução ............................................................................................. 12 1.3.2 Parâmetros do processo ........................................................................................... 12 1.3.3 Parâmetros ambientais ............................................................................................ .13 1.4 Vidro Bioativo .............................................................................................................. .13 1.4.1 Método Sol-Gel ........................................................................................................ .15 2 Metodologia ................................................................................................................... ..17 2.1 Materiais ..................................................................................................................... ..17 2.2 Métodos ...................................................................................................................... ..17 2.2.1 Preparo das nanofibras de acetato de celulose... ..................................................... ..17 2.2.2 Preparo das esferas de vidro Bioativo ...................................................................... ..18 2.2.3 Preparo das nanofibras de acetato de celulose contendo esferas de vidro Bioativo. ..18 2.3 Caracterização ........................................................................................................... ..19 2.3.1 Caracterização das mantas de acetato de celulose..................................................19 2.3.2 Caracterização das esferas de vidro bioativo ........................................................... ..20 2.3.3 Ensaio de degradação ............................................................................................. ..20 Referências ...................................................................................................................... ..22 4 1 Revisão Bibliográfica 1.1 Engenharia de tecidos A perda ou falha de um órgão ou tecido é um problema grave, frequente e de alto custo para a saúde pública, acometendo milhões de pacientes por ano em todo o mundo. Dados referentes aos pacientes atendidos pelo serviço de cirurgia plástica reconstrutiva do hospital João XXIII, em Belo Horizonte/MG, revelam que as lesões, que motivam a maioria dos atendimentos, são traumas nos membros inferiores envolvendo partes moles e/ou óssea e lesões complexas na face e couro cabeludo. Os acidentes de trânsito constituem a causa majoritária das internações, correspondendo a 44,85% dos casos (SOUZA et al., 2014). Algumas formas comuns de tratamento para órgãos ou tecidos lesados são por meio de transplantes de órgãos de um indivíduo para outro, reconstrução cirúrgica, uso de dispositivos mecânicos e próteses. Apesar de estes métodos salvarem muitas vidas eles apresentam alguns inconvenientes, tais como, incompatibilidade entre doador e paciente, filas de espera, e o fato de dispositivos mecânicos e próteses não serem capazes de reunir todas as funções de um órgão (LANGER; VACANTI, 1993). Para superarar esses problemas, a engenharia de tecidos surge como um campo emergente, interdisciplinar que aplica ferramentas das ciências biomédicas e de engenharia para auxiliar na formação ou regeneração de um tecido, com intuito de restaurar, manter ou melhorar a função do mesmo (RATNER et al., 2004). Uma abordagem típica da engenharia de tecidos é o cultivo de células diferenciadas ou indiferenciadas em um scaffold biorreabsorvível e, em seguida, sua maturação in vitro em um biorreator. O ambiente do biorreator proporcionará condições favoráveis ao crescimento, proliferação e diferenciação dessas células, provendo nutrientes e fatores de crescimento. Durante a maturação, as células proliferam e sintetizam matriz extracelular para formar um “novo” tecido. Em um segundo momento, o material é implantado no organismo, onde ocorre remodelação in vivo, promovendo recuperação de estrutura e função normais do tecido / órgão (RATNER et al., 2004). 5 Um Desafio chave na engenharia de tecidos é entender quantitativamente como as células respondem a sinais moleculares e integram estímulos múltiplos para gerar uma dada resposta, bem como, controlar interações entre células e biomateriais para que a resposta celular seja específica, ou seja, com o receptor/ligante desejado (LANGER; VACANTI, 1993). Os primeiros registros do uso de materiais para aplicações biomédicas datam de cerca de 2000 anos (A.C.), no Egito antigo, quando foi introduzido o uso de suturas e bandagens de linho e substitutos ósseos feitos de madeira. No entanto, os biomateriais começaram a ser mais estudados e desenvolvidos por volta da década de 1950. O objetivo da primeira geração de biomateriais era o desenvolvimento de materiais bioinertes, com mínima interação/reação com o organismo (RATNER et al., 2004). Nenhum material é completamente inerte em contato com o organismo porém, para os materiais considerados como bioinertes, a única resposta ao implante é a formação de uma cápsula fibrosa em seu entorno, como tentativa do organismo de isolar o corpo estranho. Exemplos de biomateriais bioinertes são a alumina, zircônia, aço inoxidável e polietileno de alta densidade (PEAD) que são utilizados em próteses de quadril (HENCH; JONES, 2005). Considera-se que os biomateriais desenvolvidos a partir da década de 1980 constituem a segunda geração de biomateriais. Nesta geração, foram introduzidos os conceitos de materiais biorreabsorvíveis e bioativos, que apresentam reação controlada com o ambiente fisiológico (RATNER et al., 2004). Materiais biorreabsorvíveis são aqueles que se dissolvem, quando em contato com fluidoscorpóreos. Os produtos dessa dissolução podem ser excretados pelos rins. Os materiais biomédicos reabsorvíveis mais comuns são polímeros que se degradam pela cisão de suas cadeias principais como os ácidos poliglicólico (PGA) e polilático (PLLA) e seus copolímeros (HENCH; JONES, 2005). Já os materiais bioativos estimulam uma resposta biológica do organismo, tal como a formação de ligação com o tecido. Existem duas classes de materiais bioativos: os osteocondutores e os osteoprodutores.Os osteocondutores ligam-se ao tecido duro (ósseo) e estimulam a o crescimento do osso ao longo da superfície do material bioativo, um exemplo de material osteocondutor é a hidroxiapatita sintética e cerâmicas de fosfato de cálcio. Materiais osteoprodutores estimulam o crescimento 6 de tecido ósseo mais afastado da interface osso/implante. Exemplos de materiais osteoprodutores são os vidros bioativos, os quais podem também se ligar a tecidos moles como gengiva e cartilagem (HENCH; JONES, 2005). Já na terceira geração de biomateriais (anos 2000 até os dias atuais), começa a surgir o conceito de engenharia de tecidos, cujo objetivo é a regeneração funcional do tecido. Ocorrendo biointeratividade, integração entre tecido e implante e reabsorção do biomaterial até a completa substituição pelo tecido original. O que é permitido por meio do estímulo de resposta celular específica a nível molecular. Induzindo a proliferação, diferenciação, produção de matriz extracelular e a organização de células específicas do tecido desejado (RATNER et al., 2004). 1.2 Scaffolds 1.2.1 Scaffolds para engenharia de tecidos Uma Vasta gama de materiais sintéticos e naturais têm sido usados para produzir sacaffolds 3D para atuar como uma matriz extracelular artificial. Scaffolds para reparar um tecido devem ser atóxicos, ter boa biocompatibilidade, serem biodegradáveis e capazes de interagir especificamente com o tipo de célula de interesse. Além disso, deve apresentar porosidade e interconectividade de poros adequada, bem como características mecânicas (resistência e tenacidade) similares as do tecido que será regenerado, visando mimetizar as condições do tecido natural (HENCH; JONES, 2005). 1.2.2 Tecidos descelularizados A técnica de descelularização de tecidos possibilita a fabricação de scaffolds de tecidos específicos, que mimetizam de maneira mais próxima os sinais físicos e químicos essenciais para a adesão celular, proliferação, migração, diferenciação e restauração de função. Matrizes descelularizadas consistem de uma estrutura de proteínas com a arquitetura da matriz extracelular preservada, contendo colágeno, glicosaminoglicanos, fibronectina e também proteínas sinalizadoras, que são responsáveis pela melhora da migração, diferenciação e proliferação celular (MILAN 7 et al., 2019) Com o desenvolvimento da engenharia de tecidos e medicina regenerativa, os biomateriais baseados em matriz extracelular descelularizada já foram amplamente utilizados em reconstrução de tecidos e reabilitação e têm alcançando grande sucesso, devido a sua alta biocompatibilidade. Esses biomateriais podem ser utilizados para tratamento de queimaduras, estomatologia, oftalmologia, cirurgia de cabeça e pescoço, reconstrução mamária, reconstrução de bexiga urinária, válvulas cardíacas, vasos sanguíneos, entre outros (YAO et al., 2019). Em estudo de Milan et. al (2019) foi desenvolvido um protocolo para fabricação de scaffolds de derme descelularizada, derivada de doadores humanos. Neste método, amostras de pele são subsequentemente processadas para remover a camada epidermal e componentes celulares, preservando a matriz de colágeno. Uma solução hipotônica contendo antibióticos é utilizada para lavar a camada epidermal, removendo-a. Após 24 horas de processamento a camada epidermal pode ser facilmente separada da camada de derme subjacente. Uma combinação de tratamentos físicos e químicos é utilizada para remover requícios de DNA e material celular. Por fim, a derme é lavada com solução PBS e esterilizada por meio de radiação gama para fabricação dos scaffolds. 1.2.3 Hidrogéis Por definição, os hidrogéis são materiais compostos de polímeros biodegradáveis que permitem a retenção de grandes quantidades de água sem dissolução do próprio polímero. Isso os torna muito semelhantes aos tecidos biológicos, que são permeáveis a pequenas moléculas e possuem baixa tensão interfacial (RATNER et al., 2004). Hidrogéis têm ganhado atenção como scaffold para engenharia de tecidos devido a sua estrutura similar a da matriz extracelular (ECM). Hidrogéis promovem microambientes 3D para o funcionamento, proliferação e sobrevivência celular (MOHAMMADINEJAD et al., 2019). Algumas aplicações dos hidrogéis na engenharia de tecidos são como implantes para substituição de tecido cartilaginoso, tratamento de queimaduras e feridas de difícil cicatrização, discos para medula espinhal. Além disso, sua utilização para liberação controlada de fármacos é amplamente explorada, podendo 8 ser combinada com a função de scaffold (RIMMER, 2011). Os principais polímeros utilizados como hidrogéis são o poli(álcool vinílico) (PVA), poli(óxido de etileno) (PEO), poli(vinilpirrolidona) (PVP) poli(etileno glicol) (PEG) (VILLANOVA; ORÉFICE; CUNHA, 2010). As principais rotas de obtenção de hidrogéis são: 1) a reticulação de polímeros de alto peso molecular; 2) copolimerização com monômeros multifuncionais e 3) acoplamento dos grupos terminais de oligômeros (RIMMER, 2011). 1.2.4 Nanofibras poliméricas A eletrofiação é uma técnica robusta e versátil para a produção de nanofibras e nanopartículas (por electrospraying). Dentre as várias aplicações das nanofibras eletrofiadas estão os scaffolds para regeneração tecidual, que apresentam características interessantes no âmbito da engenharia de tecidos, como sua estrutura tridimensional, elevada área superficial, diâmetro ultrafino e propriedades biorreabsorvíveis (de acordo com o a solução utilizada para eletrofiação (LI et al., 2012). Nanofibras poliméricas são comumente utilizadas como scaffold no campo de curativos para feridas crônicas. Um exemplo dessa aplicação são nanofibras de PVA/gelatina com incorporação de Carica papaya obtidas por eletrofiação. Este scaffold mostrou excelente atividade antibacteriana contra as bactérias Gram- positivas Staphylococcus aureus (S. aureus) e Gram-negativas Escherichia coli (E. coli). As nanofibras não apresentam citotoxicidade em relação a células fibroblásticas (NIH 3T3). Esses resultados comprovaram que o scaffold é promissor para aplicação em cicatrização de feridas (AHLAWAT; KUMAR; GOPINATH, 2019). Nanofibras, associadas à nanomateriais magnéticos, podem ser aplicadas na área de engenharia de tecidos, como terapia para perda óssea. Proliferação e diferenciação de células ósseas são moduladas por muitos fatores. Nanofibras, associadas à aplicação de um campo magnético externo de intensidade moderada, são capazes de estimular a proliferação e diferenciação de osteoblastos. Em estudo de CAI et al. (2015) nanofibras magnéticas para esta aplicação foram preparadas 9 por eletrofiação de uma solução contendo ácido polilático (PLLA) e nanopartículas ferromagnéticas (Fe3O4). Nanofibras eletrofiadas apresentam-se como terapia promissora para lesões do sistema nervoso periférico, seu desempenho pode ser modulado por meio de sinais químicos, características morfológicas e propriedades elétricas. Um scaffold de nanofibras alinhadas, modificadas, eletricamente condutoras, composto de poli(ácido lático) (PLA) e polipirrol (Ppy) foi produzido para regeneração de nervos. Uma superfície hidrofílica foi criada pelo recobrimento com poli-ornitina, que foi capaz de proporcionar um ambiente melhor para a adesão celular. Além disso, as fibras alinhadasmostraram-se capazes de induzir o crescimento das células PC12 (células nervosas) na direção da fibra (TIAN et al., 2016). Além da aplicação para regeneração tecidual, nanofibras especiais podem ser utilizadas para tratamento de tecidos doentes. Foi desenvolvido um dispositivo de nanofibra magnética inteligente, para tratamento por hipertermia endoscópica e liberação controlada de fármaco quimioterápico. O dispositivo foi sintetizado através da eletrofiação de uma solução de um polímero biocompatível e bioreabsorvível poli(ácido lático-co-ácido glicólico) (PLGA) contendo nanopatículas magnéticas. Esta nanofibra magnética foi impregnada em solução de bortezomibe (BTZ), um fármaco quimioterápico. O estudo in vitro confirmou que o dispositivo inteligente exibiu eficácia no combate às células tumorais pela aplicação simultânea da hipertermia e a liberação controlada do fármaco (SASIKALA et al., 2015). 1.2.4.1 Nanofibras de acetato de celulose O acetato de celulose (AC) é um dos derivados da celulose com maior importância comercial, principalmente devido às seguintes propriedades: é um polímero biocompatível e de baixo custo. O AC pode ser usado em processos de separação por membranas, tais como hemodiálise, nanofiltração e osmose reversa, matrizes para libertação controlada de fármacos, sensores e proteção de filmes ópticos (CERQUEIRA et al., 2010). 10 Figura 1: Estrutura do acetato de celulose Devido a estas características, existem inúmeros registros na literatura do uso do acetato de celulose na engenharia de tecidos. Um exemplo dessa aplicação é como matriz extracelular interativa (ECM) à base de ácido polilático (PLA) e acetato de celulose (AC) desenvolvida, caracterizada e investigada para tratamento de feridas. O agente antimicrobiano Timoquinona (TQ) foi selecionado e incorporado nos sacaffolds produzidos por eletrofiação para prevenir infecções e acelerar a taxa de fechamento da ferida e reepitelização. Curativos de PLA / CA impregnado com TQ oferecem muitas vantagens, como uma estrutura de nanofibras 3D similar a matriz extarcelular, hidrofilicidade e bioatividade do AC. A avaliação in vivo demonstrou que os scaffolds de PLA/AC carregado com TQ promoveram significativamente o processo de cicatrização, aumentando a reepitelização (GOMAA et al., 2017). Já em aplicações para engenharia de tecido ósseo, é necessário que os sacffolds apresentem, além de, excelente biocompatibilidade, propriedades mecânicas similares a do tecido ósseo e capacidade osteoindutora. Em estudo, foram fabricados sacffolds de acetato de celulose (AC) com óxido de grafeno (OG) incorporado, pela técnica de eletrofiação. Este material apresentou bons resultados para a biomineralização e diferenciação osteogênica de células-tronco mesenquimais. A incorporação do OG levou aumentou significativamente a adesão e proliferação das células. A exposição das nanofibras a um fluido corporal simulado revelou excelente biomineralização, possivelmente devido a pontos de nucleação para fosfato de cálcio fornecidos pelo OG (LIU et al., 2017). 11 1.3 A técnica de eletrofiação Eletrofiação é uma técnica utilizada para dissipar uma solução viscosa em fibras contínuas com diâmetros variando de micrômetros a nanômetros. A técnica é eficiente para obtenção de nanofibras poliméricas. Fibras eletrofiadas são obtidas pela aplicação de um campo elétrico na solução polimérica resultando em fibras entrelaçadas com elevada área superficial em relação ao volume e alta porosidade (BENZ, 2018) Basicamente, são necessários quatro componentes para a eletrofiação de uma solução polimérica: uma fonte de alta voltagem, um tubo capilar, que pode ser uma agulha de pequeno diâmetro, uma bomba de infusão e um prato coletor aterrado. Um eletrodo é conectado a agulha, encaixada em uma seringa preenchida com a solução polimérica. Ao passo que o outro eletrodo é fixado ao coletor aterrado. O campo elétrico é aplicado na extremidade do tubo capilar contendo o fluido e irá induzir uma carga elétrica na superfície do líquido, resultando em uma força oposta a sua tensão superficial. Como a intensidade do campo elétrico aumenta, a superfície do fluido na ponta do tubo alonga-se adquirindo forma cônica, conhecida como cone de Taylor. O jato de solução é estável apenas na região próxima a ponta da agulha. Depois jatos instáveis são observados. Na trajetória da agulha ao coletor, o solvente evapora e fibras secas são depositadas. As fibras coletadas são, geralmente, na forma de manta (SALLES, LOMBELLO, D'ÁVILA, 2015). Existem muitos parâmetros que podem influenciar no processo de eletrofiação de soluções poliméricas. Esses parâmetros envolvem a solução utilizada, o processo e parâmetros ambientais. Em relação à solução os principais parâmetros são: viscosidade, tensão superficial, condutividade elétrica, tipo de solvente, concentração. Enquanto que os principais parâmetros para o processo são voltagem aplicada, taxa do fluxo e distância da ponta da agulha ao prato coletor. Os parâmetros ambientais incluem temperatura e umidade do ambiente (SCHNEIDER; CORREA, 2017). 12 1.3.1 - Parâmetros da solução Os parâmetros da solução relacionam-se com as propriedades físico- químicas dos polímeros, dos solventes e com as interações do tipo polímero- solvente, propriedades que influenciam na morfologia e geometria das nanofibras (VENTURELLI; GRIPA, 2017). A concentração de polímero nas soluções irá influir na sua viscoelasticidade, parâmetro muito importante na eletrofiação. Para que as nanofibras produzidas sejam uniformes é necessário que haja um grau de entrelaçamento das cadeias da solução polimérica, que depende da viscoelasticidade. O aumento da viscoelasticidade aumenta o diâmetro das fibras obtidas. Uma solução com baixa viscoelasticidade (baixa concentração de polímero) tem pouco emaranhamento das cadeias poliméricas o que gera um espalhamento do jato de solução (electrospraying) sem que haja eletrofiação (COSTA et al., 2012). O início da eletrofiação ocorre quando a voltagem aplicada supera a tensão superficial da solução. A redução da tensão superficial favorece a formação de fibras sem contas (uniformes). A condutividade elétrica influencia na morfologia das nanofibras, soluções com maior condutividade permitem maior alongamento do cone de Taylor, resultando em diminuição do diâmetro das fibras. Esse efeito pode ser conquistado com a adição de sais à solução, resultado da maior mobilidade de íons. Polímeros condutores também apresentam o mesmo efeito, um exemplo desse tipo de material é a polianilina (MORAD et al., 2016). 1.3.2- Parâmetros do processo Os valores de campo elétrico aplicado influenciam na formação de um jato estável, porém o valor ideal da voltagem varia dependendo do polímero utilizado e sua concentração na solução. O campo elétrico também está diretamente relacionado com a formação de contas nas nanofibras. A distância da ponta da agulha ao coletor (distância de trabalho) deve ter um valor mínimo para assegurar a evaporação completa do solvente, e um valor máximo para que o campo elétrico 13 atue na formação do cone de Taylor e assim formem-se as nanofibras (COSTA et al., 2012). 1.3.3 - Parâmetros ambientais De acordo com a natureza química do polímero, a umidade ambiental pode estar relacionada com o aumento ou redução do diâmetro médio das fibras. A formação de poros nas nanofibras também se relaciona com a umidade, uma vez que se deve entre outros fatores à taxa de evaporação do solvente (SOUZA, 2016). Quando há uma atmosfera rica em água observa-se uma rápida formação de uma pele com contornos bem definidos na superfície do jato eletrificado, enquanto que em atmosfera com baixa umidade uma estrutura mais fina é formada possibilitando rápida evaporaçãodo solvente (VIEIRA, 2015). 1.4 Vidro bioativo O Vidro bioativo foi um importante marco para a área de biomateriais, uma vez que foi o primeiro material sintético capaz de ligar-se perfeitamente ao osso. Desenvolvido por Larry Hench, no final da década de 1960, foi chamado de 45S5 Bioglass® e possui a seguinte composição química: 45% SiO2, 24,5% CaO, 24,5% Na2O, e 6% P2O5 (RATNER et al., 2004). O tecido ósseo consiste basicamente de colágeno orgânico e hidroxiapatita carbonatada inorgânica, como seus principais componentes acelulares. A degeneração do tecido ósseo pode ser causada por uma combinação de fatores que levam à desmineralização ou alterações na estrutura do colágeno. O vidro bioativo é usado clinicamente no reparo e regeneração do osso, incluindo aplicações em: ortopedia, eliminação de bolsa periodontal, crescimento de crista alveolar, reconstrução maxilofacial, cirurgia de coluna e reconstrução otorrinolaringológica (HENCH; ROKI; FENN, 2014). Uma característica comum dos vidros bioativos é uma modificação cinética dependente do tempo que ocorre na superfície após a implantação. Na superfície do material, forma-se uma camada de Hidroxiapatita carbonatada ativa (HCA), que promove uma interface de ligação com os tecidos. A fase HCA que se forma nos 14 implantes bioativos é equivalente quimicamente e estruturalmente à fase mineral no osso. Materiais bioativos desenvolvem uma interface aderente com tecidos, que resistem substancialmente a esforços mecânicos. Em muitos casos, a força interfacial de adesão é equivalente ou superior à força coesiva do material do implante ou do tecido ligado ao implante. Na ocasião de ocorrência de uma fratura, ela ir ocorrer no implante ou no osso, mas quase nunca na interface de ligação (HENCH; JONES, 2005). Os mecanismos de reação dos vidros bioativos com o meio fisiológico envolvem troca iônica e a dissolução do implante. Em um primeiro momento, há substituição do Na+ da estrutura do vidro bioativo por H+ dos fluidos corpóreos. Em seguida a perda de silício solúvel, devido à quebra de ligações Si-O-Si, e consequente policondensação de Si(OH)4 em sílica gel. Íons Ca 2+ e PO4 3- migram para a superfície, formando um filme rico em CaO e P2O5. Há então, a cristalização e formação de HCA (HENCH; ROKI; FENN, 2014). As características essenciais para um scaffold voltado para a regeneração do tecido ósseo são alta porosidade (~90%) e rigidez mecânica adequada. Quando as células aderem ao material deve haver espaço suficiente nos canais para permitir o transporte de nutrientes e remoção de substâncias tóxicas geradas pelo metabolismo celular. Além disso, o scaffold deve ser capaz de substituir, temporariamente, a função de sustentação mecânica do osso, até que o novo tecido ósseo (em quantidade suficiente) tenha sido formado (CHEN; THOUAS, 2011). Apesar de os vidros bioativos reagirem com fluidos fisiológicos formando ligações fortes com tecidos duros e moles, esses materiais na forma porosa, apresentam baixa resistência mecânica. Buscando-se obter matrizes com melhores propriedades osteocondutivas e características mecânicas favoráveis, é observada uma tendência na direção da fabricação de materiais compósitos a base de polímeros, onde o vidro bioativo (cerâmico, constituindo a fase inorgânica) é disperso pela matriz polimérica. Esta última promove o aumento do módulo de elasticidade e resistência do material (COSTA et al., 2012). 15 1.4.1 Método sol-gel O interesse no processamento sol-gel de cerâmicas inorgânicas e materiais vítreos começou em meados de 1800, com estudos sobre géis de sílica. As primeiras investigações observaram que a hidrólise do ortossilicato de tetraetila (TEOS), Si (OC2H5)4, sob dadas condições produzia Si02 na forma de um “material vítreo" (HENCH; WEST, 1990). Sol-gel é um processo utilizado para a transformação de uma suspensão de partículas sólidas (suspensão coloidal ou sol), em um gel (material sólido constituído por duas fases e ocupado por um solvente). Este gel é uma rede sólida contendo uma segunda fase sólida de dimensões coloidais (1 a 100 nm) , líquido ou gás que formam uma rede tridimensional interconectada. Os materiais precursores utilizados na preparação do "sol" são geralmente sais metálicos inorgânicos ou compostos organometálicos, tais como alcóxidos metálicos. Em um processo típico de sol-gel, o precursor é submetido a uma série de reações de hidrólise e polimerização para formar o gel (OLIVEIRA, 2011). O processo de formação do sol-gel envolve as seguintes etapas: gelificação de uma solução coloidal (hidrólise e policondensação de alcóxidos precursores, conforme indicado na figura 2), envelhecimento, secagem, desidratação ou estabilização química e densificação (HENCH; WEST, 1990). 16 Figura 2: Etapa de gelificação no método sol-gel Espumas altamente porosas feitas de material cerâmico podem ser produzidos por vários processos, dentre eles, espumas sol-gel derivadas de vidros bioativos, produzidas por adição de agentes surfactantes combinado com a agitação mecânica. Esses scaffolds exibem alta biotaividade devido à textura mesoporosa inerente ao processo sol-gel, bem como o comportamento do vidro bioativo (CHEN; THOUAS, 2011). 17 2 - Metodologia 2.1- Materiais Para a produção das nanofibras será utilizado acetato de celulose (massa molar de 30.000 g/mol) do fabricante: Sigma-Aldrich. N.N-dimetilformamida (DMF) - densidade: 0,940 g/ml; PM: 73,09 g/mol; ponto de ebulição: 153oC. Acetona - densidade: 0,7857g/ml; PM: 58,08 g/mol; ponto de ebulição: 56oC. Os precursores utilizados no preparo do vidro biativo são o tetraetilortosilicato (TEOS), água deionizada, e trietilfosfato (TEP), metanol, ácido nítrico, hidróxido de amônio, Polietilenoglicol (PEG), nitrato de cálcio tetra-hidratado (Ca(NO3)2.4H2O). Para a solução tampão utilizada nos testes de degradação serão utilizados NaCl, KCl, Na2HPO4, KH2PO4, HCl/NaOH. 2.2- Métodos 2.2.1- Preparo das nanofibras de Acetato de celulose As condições ideais para produção das nanofibras foram baseadas em trabalhos anteriores (BENZ, 2018; LIU et al., 2017) e são apresentadas na tabela 1. São adicionados 0,9 g de acetato de celulose a 6 ml de acetona e 2ml de DMF (Proporção acetona/DMF de 3:1), obtendo-se uma concentração de 0,12% em massa de polímero. Esta solução foi colocada em agitação magnética durante 2 horas a 30oC, para completa dissolução do acetato de celulose. Para realizar a eletrofiação, esta solução é colocada em uma seringa com agulha de 0,70 mm de diâmetro, conectada a um eletrodo, alimentado por uma fonte de alta tensão. A vazão da solução através da agulha é controlada apenas pela força da gravidade. Outro eletrodo é conectado a um cilindro metálico aterrado, utilizado para coletar as fibras. A voltagem utilizada é de 15 Kv e a distância de trabalho (DT) entre agulha e coletor de 10 cm. As nanofibras serão coletadas durante 90 minutos. 18 Tabela 1: Solução empregada para o preparo das nanofibras de acetato de celulose e parâmetros utilizados na eletrofiação. 2.2.2 - Preparo das esferas de vidro bioativo Esferas de vidro bioativo serão sintetizadas pelo método solgel, utilizando-se um meio dispersante contendo polietilenoglicol (PEG) como agente surfactante conforme descrito na literatura (CARVALHO; OLIVEIRA; PEREIRA, 2017). Os alcóxidos tetraetilortosilicato (TEOS) (5,57ml), e o trietilfosfato (TEP) (0,56ml) são dispersos em 10 ml de solução de metanol e água (1:2 molar). O pH deverá ser ajustado entre 1 e 2 por ácido nítrico e a mistura mantida sob agitação magnética até a obtenção de um sol transparente (aproximadamente 10 minutos). Adiciona-se 0,27ml de hidróxido de amônioa 600 ml no meio dispersante (água ou soluções 2% de PEG) e ajusta-se o pH na faixa de 10-12. Em seguida, goteja-se o sol (precursor do vidro bioativo) nessa solução que é deixada em agitação vigorosa durante 30 min. Ao término da agitação, ajusta-se o pH da solução adicionando-se ácido nítrico ao poucos (pH < 8). Ao atingir o pH almejado adiciona- se 3,45 g de nitrato de cálcio tetra-hidratado (Ca(NO3)2.4H2O) para promover homogeneização, a mistura é mantida sob agitação por mais 30min. As micropartículas formadas são separadas por filtração utilizando-se filtro Milipore de 22µm. Os pós obtidos são tratados termicamente a 700 ºC durante 40 minutos, com taxa de aquecimento de 1 ºC/min. 2.2.3 - Preparo das nanofibras de Acetato de celulose contendo esferas de vidro bioativo As micropartículas de vidro bioativo serão adicionadas à solução de acetato de celulose descrita no item 3.2.1 e submetida a banho ultrassom durante 30 19 minutos, para dispersar as micropartículas em meio a solução polimérica. Serão adicionadas micropartículas nas concentrações de 5, 10, 20 e 30% em massa em relação a massa de acetato de celulose contida na solução. As mesmas condições de eletrofiação, descritas na tabela 1, serão utilizadas inicialmente para produção dessas amostras. Caso não sejam obtidas fibras com a morfologia adequada os parâmetros deverão ser ajustados até que sejam obtidas fibras com morfologia homogênea e livre de beads. A imagem a seguir mostra o aparato utilizado para eletrofiação no laboratório de Biomateriais do CEFET-MG. Figura 3 - Aparato de eletrofiação 2.3 - Caracterização 2.3.1- Caracterização das mantas de acetato de celulose As mantas de acetato de celulose com e sem a adição das esferas de vidro bioativo serão caracterizadas por FTIR (Espectrometria de infravermelho por transformada de Fourier), utilizando o equipamento IRPrestige 21 – Fourier 20 Transform Infrared Spectrophotometer Shimadzu. Sendo os dados coletados na faixa de onda de 4000 a 400 cm-1. Para a análise termogravimétrica o equipamento empregado será o DTG-60H Simultaneous DTA-TG Apparatus Shimadzu, com os seguintes parâmetros: atmosfera de nitrogênio (vazão de 50 mL/min.), medidas na faixa de 25 a 900oC, com taxa de aquecimento de 10 oC/min. A morfologia das mantas obtidas será visualizada por microscopia eletrônica de varredura (MEV), utilizando o SSX-550 SuperScan- Scanning Electron Microscope da Shimadzu. Enquanto as distribuições de diâmetros das mantas eletrofiadas será obtida através da análise do diâmetro de 300 fibras aleatórias, utilizando o software Image J. Para avaliar a taxa de degradação das nanofibras puras, bem como a bioatividade das nanofibras de acetato de celulose contendo vidro bioativo será realizado experimento de degradação em fluido corporal simulado (SBF) que será descrito no tópico 3.3.3. 2.3.2 - Caracterização das esferas de vidro bioativo As esferas de vidro bioativo produzidas serão caracterizadas por FTIR, TG e MEV assim como as mantas de acetato de celulose. Além dessas caracterizações, será realizada difração de raios X (DRX) para detecção das fases cristalinas do vidro bioativo. A difratometria será feita em difratômetro de raios X Shimadzu, modelo XR- 7000. 2.3.3 - Ensaio de degradação Em um primeiro momento será realizado experimento para determinar o tempo de secagem necessário para as mantas. Serão cortadas 15 amostras circulares, que serão pesadas e colocadas na estufa com circulação de ar a 37oC. Monitorar a massa a cada hora (retirar 3 amostras e pesá-las). Identificando o momento em que a massa estabiliza, o que evidencia que todo o solvente residual e umidade das nanofibras foi evaporado, sendo possível determinar o tempo de secagem. 21 Para preparação da solução PBS (tampão fosfato salino) serão dissolvidos 80g NaCl, 2g KCl, 14,4 g Na2HPO4 e 2,4g KH2PO4 em 800 mL de água. O pH da solução é medido com um pHmetro, se o pH não estiver em 7,4±0,2, deve ser ajustado adicionando HCl ou NaOH. Por fim, completa-se o volume para 1L. Para realização do ensaio de degradação será necessário preparar 27 amostras de mesmas dimensões, secar no tempo determinado no experimento anteriormente descrito, pesar e registrar em uma planilha as massas iniciais do ensaio de degradação. Em seguida colocá-las imersas em 10 mL de solução PBS, incubar a 37oC. Retirar da solução 3 amostras por vez para secagem e posterior pesagem após cada período de degradação (24 h, 48 h, 72 h, 1 sem., 2 sem, 3 sem, 4 sem, 8 sem, e 10 sem). A perda de massa será estimada através da equação: Perda de massa (%) Onde: Mamostra: massa inicial da amostra M'amostra: massa da amostra após período de degradação O comportamento esperado é que haja redução de massa nas amostras de acetato de celulose puro e um ligeiro aumento da massa nas amostras contendo vidro bioativo, devido à precipitação de uma camada de hidroxiapatita carbonatada ao entrar em contato com a solução salina. 22 Referências Bibliográficas AHLAWAT, Jyoti; KUMAR, Vinay; GOPINATH, P.. Carica papaya loaded poly (vinyl alcohol)-gelatin nanofibrous scaffold for potential application in wound dressing. Materials Science And Engineering: C, [s.l.], v. 103, p.1-9, 30 maio 2019. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.msec.2019.109834. BENZ, alana santos. Síntese e caracterização de matrizes tridimensionais de acetato de celulose produzidas a partir da técnica de eletrofiação. 2018. 47 f. 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