Avaliação do processo de degradação de misturas termoplásticas à base de amido de milho

• Author(s): Araújo, M. Alberta
• Date: 2006
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/1822/5654
• Origin: RepositóriUM - Universidade do Minho
• Subject(s): 620.1:61; 61:620.1
• Document Type: Doctoral thesis
• Language: Portuguese
• Advisor(s): Mota, M.; Cunha, António Augusto
• Contributor(s): Universidade do Minho

Description

Tese de doutoramento

Misturas termoplásticas à base de amido e respectivos compósitos têm sido propostas em diferentes aplicações biomédicas, especialmente em aplicações ósseas temporárias, devido às suas propriedades mecânicas análogas ao osso e comportamento biodegradável e bioactivo (promoverem ligação ao tecido ósseo). Estes materiais têm comportamento biocompatível, tal como demonstrado em vários ensaios in-vitro e in-vivo. Uma característica intrínseca destes materiais é a sua capacidade de serem degradados por enzimas, assegurando que o implante seja metabolizado por mecanismos fisiológicos normais, biocompaveis com o organismo. As misturas à base de amido, contêm monómeros de origem natural, o que reduz a possibilidade de ocorrência de problemas associados à toxicidade destes materiais, seus produtos de degradação (glucose, maltose e cadeias de amido de baixo peso molecular), ou estimulação de reacções inflamatórias crónicas. Vários estudos in vitro e in vivo têm sido preconizados com vista à aplicação destas misturas termoplásticas na área biomédica. No entanto, a informação que existe sobre a degradabilidade destas misturas e efeito dos seus produtos de degradação na biocompatibilidade do organismo é escassa. A avaliação dos produtos libertados por degradação é de crucial importância, sendo necessário assegurar que os produtos de degradação não sejam tóxicos para o organismo e sejam elimináveis através de qualquer um dos sistemas orgânicos de eliminação. Em substituições ósseas temporárias, uma das aplicações biomédicas propostas para estes materiais, é essencial conhecer a taxa de degradação e se esta acompanha minimamente a restituição do novo osso, caso contrário, a mistura termoplástica não tem viabilidade funcional. É necessário assegurar uma transferência gradual da carga do implante para o osso em recuperação e evitar assim uma segunda cirurgia para a remoção do implante. O principal objectivo deste trabalho é a caracterização dos principais mecanismos de degradação desencadeados nestas misturas quando imersas em meio fisiológico, que simule as condições a que estes materiais são sujeitos quando implantados e em contacto com os fluidos do corpo humano. Os estudos de degradação foram realizados numa solução fisiológica simulada, com e sem adição de α- amílase, numa concentração enzimática semelhante à encontrada no plasma sanguíneo humano. A perda de propriedades por degradação foi monitorizada pela identificação e quantificação da percentagem de produtos de degradação e de plasticizador em solução, e alterações morfológicas superficiais ao longo do tempo de imersão. A cinética de degradação destes materiais foi acompanhada por estudos de difusão na ausência de reacção enzimática, quantificando os coeficientes de difusão da glucose e glicerol em SEVA-C de diferentes espessuras. A limitação estrutural à degradação associada à razão área exposta/substrato foi estudada em experiências fazendo variar a espessura dos materiais entre provete e filmes (diferentes áreas de exposição), e a concentração de enzima em solução. As misturas termoplásticas em solução fisiológica sem enzimas degradam pouco, podendo ser identificadas 3 fases distintas: a primeira, até 3-4 dias, está relacionada com a difusão simples rápida de plasticizador (glicerol) e cadeias poliméricas de baixo peso molecular para a solução, assim como a acção lubrificante da água. A fase seguinte corresponde a um período sem perda significativa de peso (entre 4 e 30 dias). Na fase final para períodos de imersão superiores a 60 dias existe uma estabilização da taxa de degradação, atribuída possivelmente ao ataque do complexo amilose-EVOH, menos susceptível de ser degradado. Além destes resultados analíticos foi possível observar, por SEM, alterações na superfície morfológica do material, pelo aumento do número e tamanho dos poros e rugosidade ao longo do tempo de imersão, permitindo a absorção de crescentes quantidades de água e difusão de produtos para a solução. Durante os ensaios de difusão o único composto libertado foi glicerol, com coeficiente de difusão mais elevado que a glucose. As alterações no coeficiente de difusão variam na razão directa da espessura dos materiais. Os valores calculados encontram-se bem ajustados ao modelo, de acordo com os valores do coeficiente de correlação obtidos em materiais de espessura mais elevada. Os estudos de degradação na presença de enzima evidenciaram a forte acção enzimática na velocidade de degradação. Na ausência de enzimas a percentagem de açúcares libertados é cerca de 100% inferior. Com base nos resultados das experiências de degradação na presença de enzimas foi proposto um modelo estrutural, que descreve os parâmetros condicionadores e limitantes do processo de degradação, associados à especificidade da microestrutura/porosidade destes materiais e rearranjo do amido nos domínios internos, fortemente interligado com o componente sintético (IPN). Este tipo de configuração dificulta a difusão hidrolítica interna/externa e a ligação das enzimas ao substrato, sendo degradada apenas parte da fase amorfa do material (25%), estabilizando a velocidade de degradação após 100 dias de imersão. A libertação da fase amorfa foi compensada pelo aumento da percentagem de absorção de água estrutural, obtendo-se uma boa correlação entre o grau de hidratação e a percentagem de perda de massa total de compostos libertados. A limitação da área superficial exposta e a concentração enzimática em solução, foi confirmada pela diferença na percentagem de açúcares em solução nas experiências realizadas com provetes e filmes. A degradação enzimática não depende directamente da massa de material mas da área superficial exposta, já que para materiais com a mesma massa mas com áreas diferentes a percentagem de sacarídeos em solução é diferente. No entanto, o aumento da área nos filmes não conduziu a um aumento proporcional da percentagem de sacarídeos, devido à saturação do número de locais activos e de união enzimáticos. O aumento da concentração enzimática aumenta o número de ligações enzima/substrato, aumentando a velocidade de degradação apenas nos instantes iniciais. No final foi atingido um valor de velocidade de degradação semelhante para diferentes concentrações enzimáticas em solução, atribuído à limitação estrutural de substrato na estrutura polimérica de SEVA-C. O limite de espessura crítico destas misturas termoplásticas deve situar-se em valores inferiores a 0.5 mm, de acordo com o limite máximo de saturação de degradação atingido nas experiências de filmes de diferentes espessuras. A degradação do amido é influenciada por um conjunto de factores: tipo de processamento nomeadamente à superfície, especificidade da microestrutura/porosidade, grau de encapsulamento do amido e extensão da superfície de exposição.

Starch based thermoplastic blends and its composites have been used for several biomedical applications, namely for temporary bone replacements, due to their mechanical properties similar to the bone, biodegradability and bioactivity (promote bone bonding). These materials are known to be biocompatible, as shown in in vitro and in vivo studies. The main property of these materials is their ability to be enzimatically degraded; the implant is metabolized and excreted by normal physiological mechanisms. Starch based blends; contain natural monomers that reduce the problems associated with the materials and its degradation products (glucose, maltose), toxicity or the stimulation of chronic inflammatory reactions. Although in vitro and in vivo studies have been made in order to apply these materials in the biomedical field, the information regarding its degradability is scarce. The evaluation of the degradation products is of utmost important. They must be non toxic and excreted by any normal physiological mechanisms. In the use of temporary bone replacement, the functional viability of the implant is related to its degradation rate and its ability to accompany the bone growth. If a gradual load transfer from the implant to the bone is successful then a second surgery for implant removal can be avoided. The main objective of the work is the characterization of the degradation mechanisms, in physiological media of these blends, which should simulate the implant conditions. The effect of enzymes in the degradation process was evaluated by degradation studies in simulated body fluid, with and without α- amylase in a concentration similar to human blood plasma. The degradation behaviour was evaluated by quantification of the degradation products and plasticizer in solution and by the surface morphological modifications during immersion. Diffusion studies in the absence of enzymatic reaction, where the quantification of diffusion coefficients of glucose and glycerol in SEVA-C was achieved, were carried out in order to study the degradation kinetics of these materials. The structural limitations to degradation were studied using materials with different thickness (different exposure areas) and varying enzyme concentration solutions. In the absence of enzymes thermoplastic blend barely degrade in physiological media. In this case three phases can be identified: the first, in the initial 3 to 4 days, related both to the simple and rapid diffusion to the solution of plasticizer (glycerol) and low molecular weight polymeric chains and to the lubricating action of water. The next phase is a period of no significant weight loss (between 4 and 30 days). The third and last phase occurs for immersion periods longer than 60 days; there is a stabilization of the degradation rate due to the attack of a lesser susceptible to degradation amylose- EVOH complex. SEM observations suggest surface morphological modifications, with an increase, with immersion time, in the pore size and number and in roughness, allowing a rising in the amount of water absorption and diffusion of degradation products to the solution. Glycerol, with a diffusion coefficient higher than glucose was the only compound released during the diffusion studies. Changes on the diffusion coefficient are directly related to the materials’ thickness. The correlation coefficient indicates that the calculated values are well in accordance with the model. Enzymatic degradation studies clearly show a strong enzymatic action in the degradation rate. In the absence of enzyme the amount of sugar released is 100% less. A structural model that describes the degradation process conditionings,associated to the specific microstructure/porosity of these materials and to the starch intern rearrangement (strongly bonded to the synthetic component), was conceived. This configuration limits the intern/extern hydrolytic diffusion and the enzyme bonds to the substrate; the degradation rate stabilizes after 100 days and only one quarter of the amorphous phase is degraded. Never the less, the absorption of structural water increased, obtaining a good correlation between the hydration rate and the amount of total mass loss of released compound. A clear change in the amount of sugars in solution when using different thickness materials was shown. The enzymatic degradation depends on the exposed surface area. Materials with the same weight and different exposed surface area have different amount of saccharides in solution. However, the increase of film surface area did not result in a proportional increase in the saccharides amount due to the lack of active and enzymatic union sites. The number of enzyme/substrate bonds increases with the enzyme concentration, and enhances the initial degradation rate. The final degradation rate is similar for all enzymatic concentrations due to the structural limitations of the SEVA-C polymeric substrate. In accordance to the maximum degradation saturation limit in the films experiments, the critical thickness of these thermoplastic blends is lower than 0.5 mm. Starch degradation is influenced by a number of factors, namely: processing mechanism (especially surface), microstructure/porosity specificity, starch encapsulation rate and amount of exposed surface.