Estudo das propriedades mecânicas de compósitos a base de poli(-ácido láctico) e nano-hidroxiapatita obtidos por extrusão

Abstract

O aumento da expectativa de vida do homem resulta no aumento da população idosa e conseqüentemente de doenças relacionadas à velhice, que são comumente doenças degenerativas do aparelho locomotor, como as artroses e as osteoporoses. Entretanto lesões ligadas ao esqueleto, como fraturas, também afetam indivíduos jovens, principalmente devido a acidentes automobilísticos e de trabalho. Tal fato tem estimulado a pesquisa e o desenvolvimento de materiais que possam substituir e acelerar a regeneração no tecido ósseo. Materiais poliméricos biorreabsorvíveis, dos quais se destaca o PLLA, têm sido utilizados na fabricação de dispositivos de fixação de fraturas ósseas. No entanto, a ausência de bioatividade e o caráter ácido de degradação desses polímeros, que pode ocasionar um efeito inflamatório localizado, são desvantagens inerentes a estes materiais. Sendo assim, neste trabalho buscou-se incorporar ao PLLA, partículas do material cerâmico hidroxiapatita, que apresenta caráter básico e propriedades bioativas, sendo capaz de neutralizar a acidez da degradação polimérica e conferir bioatividade ao material. Com base nisto, foram preparadas duas composições contendo polímero biorreabsorvível (PLLA) e a hidroxiapatita (HA) em escala nanométrica, nas concentrações mássicas de 5% (HA5) e 10% (HA10) de HA, além do polímero puro como grupo controle. Os materiais foram misturados e posteriormente, extrudados. Procedeu-se a caracterização da matéria-prima e dos materiais extrudados. Os extrudados foram caracterizados através de Cromatografia de Permeação em Gel (GPC), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) e Análise Dinâmico-Mecânica (DMA). A análise de GPC demonstrou que não houve alterações significativas na massa molar do material polimérico após o processo de extrusão. Por meio de MEV foi possível identificar a presença de nanopartículas de hidroxiapatita dispersas na matriz polimérica. No entanto, aglomerados do material cerâmico, com tamanho entre 5 e 20 µm também foram observados, assim como algumas porosidades. A análise por DSC indicou um material semicristalino, cujo grau de cristalinidade aumentou de acordo com o aumento na concentração da hidroxiapatita. A caracterização por DMA permitiu observar uma redução dos valores de Tan?, com o aumento da concentração do material cerâmico. Já a caracterização do comportamento mecânico foi realizada através de ensaios de flexão em dois pontos (single cantilever), também através da análise de DMA. Respectivamente, as composições HA5 e HA10 apresentaram valores de tensão, 10 e 20 % menores do que os observados para o PLLA puro, sendo tais valores obtidos na deformação de 5%. Este fato foi atribuído à presença de aglomerados de HA, além de porosidades observadas na análise de MEV. Com relação aos módulos de elasticidade e de armazenamento os resultados indicaram uma maior rigidez para a composição contendo 5 % do material cerâmico. <br>

Abstract : The increase in men life expectancy results in an increase of elderly population and therefore diseases of old age, that are commonly degenerative diseases of the locomotor system, such as arthritis and osteoporosis. However injuries linked to the skeleton, such as fractures, also affect young individuals, mainly due to automobile accidents and work. This fact has been stimulating research and development of materials that can replace and accelerate regeneration in the bone tissue. Bioresorbable polymeric materials, among which PLLA, have been used in the manufacturing of fixation devices for bone fractures. However, the bioactivity lack and the acid character degradation of these polymers, which may cause a localized inflammatory effect, are inherent disadvantages of these materials. Thus this study attempts to incorporate to PLLA, a ceramic material called hydroxyapatite, which presents an alkaline character and bioactive properties, being able to neutralize the polymeric acidity degradation and give bioactivity for the material. Thus two compositions were prepared containing PLLA (bioresorbable polymer) and hydroxyapatite (HA), on nanometer scale, in mass concentration of 5 % (HA5) and 10 % (HA10) of HA. In addition, neat PLLA was used as a control group. The materials were blended and then extruded. The raw material and extruded material were characterized. The extruded products were characterized by Gel Permeation Chromatography (GPC), Scanning Electron Microscopy (SEM), Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Dynamic Mechanical Analysis (DMA). The GPC analysis has shown that there was no significant change in the polymeric material molar mass after the extrusion process. By SEM was possible to identify hydroxyapatite nanoparticles presence dispersed in the polymer matrix. However, ceramic material clusters, with size between 5 and 20 ?m were also observed, as well as some porosity. The DSC analysis indicated a semi-crystalline material, whose crystallinity degree increased with the rise in hydroxyapatite concentration. The DMA characterization showed a reduction of Tan? values with increase of ceramic material concentration. The mechanical behavior was evaluated using two-point bending (single cantilever) test, also by DMA analysis. The HA5 and HA10 compositions, respectively, presented stress values 10 and 20 % lower than those observed on neat PLLA, being these values obtained in 5 % deformation. This was attributed to the HA clusters presence, and porosity, as observed in SEM analysis. About elasticity and storage modulus, the results 14 indicated a greater rigidity to the composition containing 5 % of ceramic material. Keywords: Poly(L-lactic acid), hydroxyapatite, extrusion, composite, thermal and dynamic mechanical properties.