Produção de compósitos PEEK/NASF por microinjeção para aplicação em implantodontia

Abstract

Contextualização: Poli-éter-éter-cetona (PEEK) é utilizado na área biomédica desde a década de 1980 e tem recebido destaque na Odontologia, área para qual modificações como a sulfonação e a produção de compósitos apresenta-se interessante. Dados acerca das propriedades físico-químicas e superficiais e de caracterização biológica de PEEK modificado ainda são escassos. O objetivo dessa tese foi produzir, por microinjeção, compósitos de PEEK com fibras naturais de sílica amorfa (NASF), tratados com ácido sulfúrico e/ou revestidos por filmes poliméricos, à base de PEEK sulfonado enriquecido com furanonas (sf). Materiais e métodos: PEEK grau médico foi moído. Metade do conteúdo foi misturada a NASF, numa proporção 70:30, em volume. Amostras cilíndricas de PEEK e de PEEK/NASF foram produzidas por microinjeção. Metade das amostras de cada grupo foi imersa em ácido sulfúrico (PEEK-ac e PEEK/NASF-ac). Amostras com e sem tratamento ácido receberam revestimento de filmes poliméricos de SPEEK/furanonas (PEEK-sf, PEEK-ac-sf, PEEK/NASF-sf, PEEK/NASF-ac-sf). A caracterização físico-química consistiu em: Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), difratometria de raios X (DRX), espectroscopia de raios X por dispersão em energia (EDS). Análise de superfície foi realizada por avaliação do ângulo de contato, da rugosidade, de microscopia eletrônica de varredura (MEV). Análises biológicas consistiram em análise da bioatividade in vitro, por meio da imersão das amostras por 3, 7, 14 e 21 dias em simulated body fluid (SBF), bem como em análise da citotoxicidade (ensaio MTT) com células tronco derivadas de dentes decíduos esfoliados (1, 3 e 7 dias). Resultados: A análise de FTIR demonstrou que bandas características de PEEK foram observadas em todos os grupos analisados e que bandas características de furanonas foram observadas nos grupos com revestimento sf. No difratograma, observa-se pico de intensidade acentuada na região de 25o. A análise de MEV das amostras demonstrou superfícies mais homogêneas no grupo PEEK, incorporação de NASF na matriz do polímero nos grupos PEEK/NASF e PEEK/NASF-ac. Nos grupos com tratamento ácido, micro-porosidades foram observadas. EDS evidenciou que elementos químicos como carbono, oxigênio, silício e enxofre estiveram presentes de acordo com o método de produção das amostras. A rugosidade entre os grupos variou de 1,283 µm (PEEK) à 4,152 µm (PEEK/NASF-sf), sendo os grupos PEEK/NASF-ac e PEEK/NASF-ac-sf com valores estatisticamente superiores aos demais grupos (p<0.05). O ângulo de contato, por sua vez, variou de 72,06o (PEEK/NASF-sf) a 98o (PEEK-sf), sendo ambos os grupos estatisticamente diferentes do grupo controle PEEK (84,96o). A análise da bioatividade demonstrou que o grupo PEEK-ac foi o que apresentou maior formação de cristais precursores de hidroxiapatita, especialmente após 14 dias de imersão em SBF. Quanto à análise de citotoxicidade, as amostras PEEK-ac e PEEK/NASF-ac demonstraram viabilidade celular inferior à de PEEK em todos os tempos experimentais, enquanto os grupos PEEK/NASF-sf e PEEK/NASF-ac-sf demonstraram essa redução apenas em 3 dias (p<0.05). PEEK-sf apresentou aumento da viabilidade celular em 3 dias de experimento, em relação ao grupo controle PEEK (p<0.05). Conclusões: O presente método de produção de PEEK e seu compósito, por microinjeção, adicionalmente tratados e/ou revestidos, apresenta-se como uma alternativa viável para produção de dispositivos biomédicos. Propriedades físico-químicas, de superfície e biológicas adequadas foram obtidas, contudo, métodos de produção adicionais são desejados para neutralizar os efeitos deletérios do tratamento ácido às SHEDs.

Abstract: Background: Poly-ether-ether-ketone has been used at biomedical field since the 1980?s. PEEK modifications, such as composite production and sulfonation process have been studied for Dentistry applications. Data concerning modified PEEK physicochemical, surface and biological properties are still scarce on literature. The aim of the present thesis was to produce, through microinjection molding, PEEK composites enriched with natural amorphous silica fibers (NASF), additionally treated with sulfuric acid or coated with a polymeric film based on sulfonated-peek embedded with furanones (sf). Material and methods: Biomedical grade PEEK was milled. Half of its content was mixed to NASF (70:30, volume). Cylindrical specimens were obtained by microinjection (PEEK and PEEK/NASF). Samples were immersed on sulfuric acid (PEEK-ac e PEEK/NASF-ac). Samples with and without acid treatment received sf coatings (PEEK-sf, PEEK-ac-sf, PEEK/NASF-sf, PEEK/NASF-ac-sf). Physicochemical characterization consisted on: Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffractometry (XRD) energy-dispersive X-ray spectroscopy. Surface characterization comprised contact angle and roughness analysis, followed by scanning electron micrograph (SEM) examination. Biological evaluation embraced in vitro bioactivity (3, 7, 14 and 21 days) and cytotoxicity (1, 3 and 7 days) tests ? this one was performed using stem cells from human exfoliated deciduous teeth (SHEDs) and the MTT assay. Results: FTIR analysis revealed that PEEK characteristic bands were observed at all evaluated groups and that furanone bands were observed on sf-coated groups. An intense peak of all groups was evidenced at region 25o through XRD analysis. SEM images showed homogeneous surfaces of PEEK as well as the incorporation of NASF at PEEK matrix on composite samples. When acid treatment was performed, microporosity was observed. The EDS spectra showed that chemical elements such as C, O, Si and S were observed, according to evaluated sample. Roughness varied from 1,283 µm (PEEK) until 4,152 µm (PEEK/NASF-sf), being PEEK/NASF-ac and PEEK/NASF-ac-sf statistically superior when compared to other groups (p<0.05). Contact angle measurements varied from 72,06 (PEEK/NASF-sf) up to 98o (PEEK-sf), being those two groups statistically different from the control group PEEK (84,96o) (p<0.05). The group PEEK-ac showed more pronounced hydroxyapatite precursors on bioactivity evaluation, especially after 14 days of simulated body fluid immersion. Regarding cytotoxicity assays, samples of PEEK-ac and PEEK/NASF-ac showed reduced cell viability on all experimental times, while the groups PEEK/NASF-sf e PEEK/NASF-ac-sf showed this reduction only on the experimental time of 3 days, when compared to the control PEEK (p<0.05). On the other hand, PEEK-sf showed cell viability improvement on experimental time of 3 days, when compared to PEEK (p<0.05). Conclusions: The present method of PEEK and PEEK/NASF production, through microinjection molding, with additional acid treatment and surface coating, is viable for the production of biomedical devices. Interesting physicochemical, biological and surface properties were achieved. However, additional production steps are desired in order to neutralize deleterious effects to SHEDs, produced from acid treatment.