Desenvolvimento de biomateriais compósitos à base de sílica utilizando técnicas "verdes" e biométricas

Abstract

Abstract This work aimed to obtain silica and composite materials based on silica (bioglass) using "green" techniques and biomimetic catalysts (glutathione (GSH) and cysteamine (Cys)) for further biomedical applications. Silica was prepared using a sol-gel method in aqueous solution developing and innovating an extraction/high pressure/supercritical drying technique (HPSE), using "green" solvents (water, ethanol and carbon dioxide). With this extraction/drying method it was intended to remove residual catalysts and dry the materials prepared for further comparison with conventional drying methods (freeze-drying and evaporation). Bioglass preparation was obtained through the sol-gel method in aqueous solution and freeze drying. Some drug impregnation/deposition tests were conducted, using dexamethasone, in silica and bioglass samples in order to study kinetic release. It was possible to demonstrate that HPSE drying method could remove the most part of the catalysts used. The characteristic bands of silica and bioglass samples were identified using FTIR, leading to the conclusion that the techniques and catalysts used led, indeed, to its formation. The physical characterization of silica samples revealed that density values were between 1.8 and 2 g/cm3. The average pore diameter depended on the catalyst used and the resulting biomimetic reaction mechanism associated: micropores were obtaining with GSH silica samples; mesopores with Cys silica samples, and the for the mixture of two catalysts was observed that the materials had a combination of micro and mesopores resulting from the formation of silica by two mechanisms, with a combination of morphological properties similar to those obtained when the two catalysts are used separately (extreme pH, acid and basic). Surface area highest values corresponded to the lower average pore diameter samples so the number of pores is considerably elevated. In particle size distribution, evaporation and HPSE drying samples led to higher particle size since the milling was hampered by the after drying morphology. Likewise, by scanning electron microscopy (SEM), larger silica samples particles had a more dense visual aspect. In bioglass samples it was very clear the influence of the pH, and in those using chitosan additions. Releasing tests of dexamethasone were done with bioglass and silica samples. It was possible to identify a slow release and an impregnation/deposition of 6μg of drug/mg of sample. Haemocompatibility tests concluded that obtained materials were haemolytic with the exception of HPSE drying silica, with a mixture of catalysts, where the removal of waste reaction was more effective. With this work was possible to obtain promising materials for later use in tissue engineering, particularly in hard tissues. Through "green" and "friendly" environment techniques, it was possible to obtain mesoporous materials with a good drug impregnation/deposition in order to improve bone regeneration.

Resumo Este trabalho teve como objectivo a obtenção de sílica e de materiais compósitos à base de sílica (biovidro) através da utilização de técnicas “verdes” e de catalisadores biomiméticos (glutationa (GSH) e cisteamina (Cys)) para aplicações biomédicas. A sílica foi preparada utilizando um método sol-gel em meio aquoso e desenvolvendo uma técnica inovadora de extracção/secagem de alta pressão/supercrítica (HPSE), utilizando apenas solventes “verdes” e “amigos” do ambiente (água, etanol e dióxido de carbono). Com este método de extracção/secagem pretendeu-se remover os catalisadores residuais e secar os materiais preparados para posterior comparação com os métodos de secagem convencionais (liofilização e evaporação). A preparação de biovidro foi efectuada através da metodologia sol-gel, em meio aquoso e a sua secagem foi feita por liofilização. Foram realizados testes de impregnação/deposição de um fármaco, dexametasona, nas amostras de sílica e biovidro para posterior estudo de cinética de libertação. Foi possível demonstrar que o método de secagem HPSE conseguiu remover grande parte dos catalisadores utilizados. Identificaram-se, através da utilização do FTIR, as bandas características das amostras de sílica e de biovidro levando a concluir que as técnicas e catalisadores utilizados conduziram, efectivamente, à sua formação. A caracterização física das amostras de sílica revelou que a massa volúmica tinha valores compreendidos entre 1,8 e 2 g/cm3. Estes materiais apresentavam diâmetro médio de poros dependentes do catalisador biomimético utilizado e consequente mecanismo de reacção associado: obtenção de microporos nas amostras formadas com GSH; mesoporos nas amostras formadas com Cys e, nas amostras com a mistura dos dois catalisadores foi possível observar que os materiais tinham uma combinação de micro e mesoporos, resultante da formação de sílica através de dois mecanismos, havendo combinação de propriedades morfológicas semelhantes às obtidas quando os dois catalisadores são utilizados separadamente (pH’s extremos, ácido e alcalino). Os valores mais elevados de área de superfície corresponderam às amostras de menor diâmetro médio de poros podendo-se concluir que, nestas amostras, o número de poros é consideravelmente elevado. Na distribuição granulométrica, as amostras obtidas por evaporação e secagem HPSE possuíam maior tamanho de partículas uma vez que a moagem esteve dificultada pela sua morfologia após secagem. Da mesma forma, através da microscopia electrónica de varrimento (MEV) identificou-se que as amostras de sílica de maior tamanho de partículas possuíam um aspecto mais denso. Nas amostras de biovidro foi notória a influência do pH conduzindo a um aspecto mais denso nas amostras de pH neutro e na adição de quitosano. Fizeram-se ainda ensaios de libertação de dexametasona, nas amostras de sílica e biovidro, onde foi possível identificar uma libertação lenta e uma impregnação/deposição de 6!g de fármaco por mg de amostra. Realizaram-se testes de hemocompatibilidade de onde se concluiu que os materiais obtidos eram hemolíticos com a excepção da sílica obtida por secagem HPSE, com a mistura dos catalisadores, onde a remoção de resíduos de reacção foi mais eficaz. Com este trabalho foi possível a obtenção de materiais promissores para uma posterior aplicação em engenharia de tecidos, nomeadamente em tecidos duros. Através de técnicas “verdes” e “amigas” do ambiente, obtiveram-se materiais com características mesoporosas, com boa capacidade de impregnação/deposição de fármacos, visando melhorar a regeneração óssea.