Cimentos injetáveis à base de fosfatos de cálcio para vertebroplastia

Abstract

O principal objectivo desta investigação foi o desenvolvimento cimentos de fosfatos de cálcio com injetabilidade melhorada e propriedades mecânicas adequadas para aplicação em vertebroplastia. Os pós de fosfato de tricálcico (TCP) não dopados e dopados (Mg, Sr e Mn) usados neste estudo foram obtidos pelo processo de precipitação em meio aquoso, seguidos de tratamento térmico de forma a obter as fases pretendidas, α− e β−TCP. A substituição parcial de iões Ca por iões dopantes mostrou ter implicações em termos de estabilidade térmica da fase β−TCP. Os resultados demonstraram que as transformações de fase alotrópicas β↔α−TCP são fortemente influenciadas por variáveis experimentais como a taxa de arrefecimento, a presença de impurezas de pirofosfato de cálcio e a extensão do grau de dopagem com Mg. Os cimentos foram preparados através da mistura de pós, β−TCP (não dopados e dopados) e fosfato monocálcico monidratado (MCPM), com meios líquidos diferentes usando ácido cítrico e açucares (sucrose e frutose) como agentes retardadores de presa, e o polietilenoglicol, a hidroxipropilmetilcelulose e a polivinilpirrolidona como agentes gelificantes. Estes aditivos, principalmente o ácido cítrico, e o MCPM aumentam significativamente a força iónica do meio, influenciando a injetabilidade das pastas. Os resultados também mostraram que a distribuição de tamanho de partícula dos pós é um factor determinante na injetabilidade das pastas cimentícias. A combinação da co-dopagem de Mn e Sr com a adição de sucrose no líquido de presa e com uma distribuição de tamanho de partícula dos pós adequada resultou em cimentos de brushite com propriedades bastante melhoradas em termos de manuseamento, microestrutura, comportamento mecânico e biológico: (i) o tempo inicial de presa passou de ~3 min to ~9 min; (ii) as pastas cimentícias foram totalmente injectadas para uma razão liquido/pó de 0.28 mL g−1 com ausência do efeito de “filter-pressing” (separação de fases líquida e sólida); (iii) após imersão numa solução durante 48 h, as amostras de cimento molhadas apresentam uma porosidade total de ~32% e uma resistência a compressão de ~17 MPa, valor muito superior ao obtido para os cimentos sem açúcar não dopados (5 MPa) ou dopados só com Sr (10 MPa); e (iv) o desempenho biológico, incluindo a adesão e crescimento de células osteoblásticas na superfície do cimento, foi muito melhorado. Este conjunto de propriedades torna os cimentos excelentes para regeneração óssea e engenharia de tecidos, e muito promissores para aplicação em vertebroplastia.

The main objective of this research was the development of cements based on calcium phosphates with improved injectability and mechanical properties suitable for being used in vertebroplasty. The tricalcium phosphate powders (TCP) undoped and doped (Mg, Sr and Mn) used in this study were obtained through aqueous precipitation process, followed by heat treatment in order to obtain appropriate phases, α− and β−TCP. The partial substitution of Ca ions by doping ions shown to have implications in terms of thermal stability of β−TCP phase. The results showed that β↔α−TCP allotropic phase transformations are strongly influenced by experimental variables like cooling rate, the presence of calcium pyrophosphate impurities and the Mg-doping extent. The cements were prepared by mixing the β−TCP and monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) powders with different liquids, using citric acid and sugars (sucrose and fructose) as setting retarders, and polyethylene glycol, hydroxypropyl methylcellulose and polyvinylpyrrolidone as gelling agents. These additives, especially the citric acid, and MCPM significantly increase the ionic strength of the medium, affecting the injectability of cement pastes. The results also showed that the particle size distribution of the powders used is a determinant factor in the injectability of cement pastes. The combination of co-doping of Sr and Mn with the addition of sucrose in the setting liquid and with a suitable particle size distribution of the powders resulted in brushite based cements with overall greatly improved properties in terms of handling, microstructure, mechanical and biological behaviours: (i) the initial setting time increased from ~3 min to ~9 min; (ii) the cement pastes were fully injected for a liquid powder ratio of 0.28 mL g−1 with absence of filter pressing effects; (iii) after immersion for 48 hours in a solution, wet cement samples exhibit a total porosity of ~32% and a compressive strength of ~17 MPa, much higher than those registered for sugar-free CPCs derived from nondoped β−TCP (5 MPa) or from Sr-doped β−TCP (10 MPa); and (iv) the biological performance, including adhesion and growth of osteoblastic cells in cement surface, was much improved. This set of properties turns these cements excellent for bone regeneration and tissue engineering, and very promising for application in vertebroplasty