Suportes porosos vítreos do sistema Si-Ca-P-Mg para aplicações biomédicas

Abstract

Na reparação e regeneração de tecido ósseo torna-se cada vez mais atraente o recurso a suportes porosos temporários capazes de interagir com o organismo, através de respostas específicas que conduzam à formação de novo osso. O presente trabalho teve como objectivo produzir estruturas porosas a partir de composições vítreas, com uma composição que, em trabalhos anteriores, mostrou ter características bioactivas, com reactividade superficial específica em fluidos fisiológicos sintéticos. Os suportes foram obtidos por sinterização de uma mistura de vidro, de composição ponderal 54.89% 3CaO.P2O5 – 24.81%SiO2 – 20.30%MgO com um sal, NaCl, cuja granulometria e quantidade determinam as características da porosidade aberta dos suportes, após lixiviação. Investigaram-se neste trabalho algumas das variáveis de processamento, nomeadamente, a quantidade de sal, mantendo a sua granulometria constante, o valor da pressão de prensagem usada na conformação e a velocidade de aquecimento, temperatura máxima e tempo de patamar, no ciclo de sinterização. Investigou-se, ainda, a possibilidade de reacção entre o sal e o vidro durante a sinterização e o efeito das inclusões de sal na cinética de sinterização da matriz vítrea. A “janela de trabalho” para a sinterização dos compactos da mistura vidro-sal revelou-se estreita em termos de gama de temperaturas e a retracção total severamente limitada. Para estes efeitos contribuíram a reacção entre o sal e o vidro durante o aquecimento, com desenvolvimento de produtos gasosos e desestruturação da superfície das partículas de vidro, a presença das partículas de sal que actuam como inclusões rígidas na matriz vítrea e a cristalização um pouco mais precoce do vidro. O estudo do processamento dos suportes porosos permitiu seleccionar as condições mais adequadas de composição, conformação e sinterização, com base nas características microestruturais dos suportes, nomeadamente a fracção volúmica e a distribuição de tamanhos dos poros abertos, assim como a sua área superficial específica. Os espécimes porosos desenvolvidos com as variáveis de processamento seleccionadas apresentam uma percentagem de porosidade elevada, boa interconectividade, tamanho de poro e resistência mecânica compatíveis com a possibilidade de serem utilizados na reparação de tecido ósseo. Adicionalmente, o comportamento destas estruturas em meio fisiológico acelular e a sua capacidade de induzir a precipitação de fosfatos de cálcio à sua superfície sugeriu o elevado potencial destes materiais no campo da regeneração óssea.

ABSTRACT: In the bone repair and regeneration it becomes more and more attractive to use temporary porous supports, or scaffolds, capable of interacting with the living tissues, through adequate responses that lead to the formation of new bone. The main goal of this work was to produce porous glass scaffolds with a composition that, in previous work, exhibited a bioactive behaviour with specific surface reactivity in synthetic physiological fluids. The porous specimens were prepared by sintering a 54.89%3CaO.P2O5 -24.81%SiO2 - 20.30%MgO glass (wt %) with a salt, NaCl, whose particle size and amount determine the characteristics of the scaffolds open porosity, after leaching. In this work some of the process parameters were investigated, namely the amount of salt, for a constant particle size, pressing pressure and sintering rate, maximum temperature and holding time of the thermal cycle. The possibility of reaction between the salt and the glass surface during sintering was evaluated and the effect of salt inclusions on the kinetics of glass sintering was also investigated. The “working window” for the sintering of the glass/salt mixture was seen to be very narrow with respect to the range of temperature and the total shrinkage severely restrained. For these effects several contributions should be taken into account, namely the reaction between the salt and the glass during sintering, with probable gas production and disruption of glass structure on the particles surface, the presence of salt particles that act as rigid inclusions within the glass matrix and the premature crystallization of glass. The study of the porous scaffold processing allowed the selection of the most suitable composition, shaping and sintering conditions based on the microstructural characteristics of the scaffolds, namely the volume fraction and the distribution of open porosity as well as their specific surface area. The developed scaffolds exhibit high porosity, interconnectivity, pore size distribution and mechanical strength suitable for bone repair applications. Additionally, the behaviour of these structures in physiological acelular medium and their capability to induce the precipitation of calcium phosphates on their surface, suggests the high potential of these materials to be used in the field of tissue regeneration.