Análise da interface formada entre o polifluoreto de vinilideno (piezelétrico e não piezelétrico) e o tecido ósseo de ratos

Resumos

The objective of this study was to evaluate the interface formed between the poli (viniilidene) fluoride (PVDF-piezoelectric and non-piezoelectric) and cap rats' bone tissue. Twenty tubes of PVDF [P (VDF-TrFE)] piezoelectric, (d3h = 2,5 pC/N and capacitance 800 pF/m), and twenty tubes of non-piezoelectric PVDF were implanted in the intercondilian notch of the left femur of 40 rats. The animals of both groups were subdivided in four subgroups, followed up for 7 days, 3, 6 and 12 weeks. The interface found between bone and tubes was studied by conventional optical microscopy (MOC) (n=28) and by backscattered electronic scanning microscopy (MEV) (n=12). Bone tissue growth was observed inside the tubes of piezoelectric PVDF followed up during 12 weeks, both by MOC and by MEV backscattering. The results indicate that the piezoelectric effect had an important role in the new bone tissue formation inside the piezoelectric tubes. Probably, that bone formation was a result from the electrets effect or from micro deformations produced in the piezoelectric tubes, due to the intra-articular pressure variation on the knee movement during gait.

Piezoelectric effect; Bone growth; Artificial implants

ARTIGO ORIGINAL

Análise da interface formada entre o polifluoreto de vinilideno (piezelétrico e não piezelétrico) e o tecido ósseo de ratos

Bianca Callegari^I; Dr William Dias Belangero^II

^IPós-Graduanda em Cirurgia, área de Pesquisa Experimental

^IICoordenador Laboratório de Investigação em Materiais Ortopédicos (LABIMO) do Departamento de Ortopedia e Traumatologia da Faculdade de Ciências Médicas da UNICAMP

^{Endereço para correspondência}

RESUMO

O objetivo deste estudo foi analisar a interface formada entre o polifluoreto de vinilideno (PVDF - piezelétrico e não piezelétrico) e o tecido ósseo do rato. Foram implantados em 40 ratos, na região intercondiliana do fêmur esquerdo, vinte tubos de PVDF [P(VDF-TrFE)] piezelétricos, (d_3h = 2,5 pC/N e capacitância 800 pF/m), e vinte tubos de PVDF não piezelétricos. Os animais de ambos os grupos foram subdivididos em quatro subgrupos, seguidos por 7 dias, 3, 6 e 12 semanas. A interface formada pelos tubos com o tecido ósseo foi estudada por microscopia óptica convencional (MOC) (n=28) e pela microscopia eletrônica de varredura (MEV) por retroespalhamento (n=12). No interior dos tubos de PVDF piezelétricos seguidos por 12 semanas foi constatado, tanto pela MOC como pela MEV por retroespalhamento, crescimento de tecido ósseo. Os resultados indicam que a piezeletricidade teve papel importante na neoformação do tecido ósseo no interior dos tubos piezelétricos. Provavelmente, essa formação óssea foi decorrente ou do efeito eletreto, ou das microdeformações produzidas nos tubos piezelétricos, devido à variação da pressão intra articular do joelho durante a marcha.

Descritores: Piezeletricidade; Crescimento ósseo; Implantes artificiais

INTRODUÇÃO

A piezeletricidade é uma propriedade presente em materiais no estado cristalino. Materiais biológicos ricos em colágeno, como o osso e o tendão, podem apresentar essa propriedade que, de alguma forma, seria responsável pela adaptação desses tecidos às solicitações mecânicas que o meio externo impõe⁽³⁾.

O efeito da piezeletricidade foi estudado em nosso meio por Köberle⁽⁹⁾ em sua tese de livre-docência. Yasuda⁽¹⁵⁾ também estudou o efeito da piezeletrecidade aplicando Teflon (polarizado e não polarizado eletricamente) sobre a superfície do fêmur e enrolado ao redor deste osso em coelhos. Observou que abaixo do Teflon não polarizado não havia ocorrido crescimento ósseo, enquanto que ao redor do Teflon polarizado havia formação de calo ósseo, principalmente naqueles em que o Teflon havia sido enrolado ao redor do fêmur.

Mais recentemente, Jiaqing et al.⁽⁵⁾ compararam o efeito da cerâmica não piezelétrica e piezelétrica sobre a neoformação óssea nas mandíbulas de cães. Observaram crescimento ósseo ao redor dos implantes piezelétricos após uma semana, enquanto que após duas semanas não havia ainda neoformação óssea ao redor dos implantes não piezelétricos.

Levando-se em consideração que há indícios de que a piezeletricidade exerce influência no crescimento ósseo, a utilização de materiais com esta característica como implante ósseo parece ser promissora.

O polifluoreto de vinilideno, também conhecido como fluoreto de vinilideno (PVDF), é um polímero semicristalino (50% cristalino, 50% amorfo), cuja unidade básica é o F₂C=CH₂. Por apresentar essa composição química, o PVDF pode ser polarizado. Os átomos de Hidrogênio (H) são carregados positivamente, enquanto que os de flúor (F) são carregados negativamente, em relação aos átomos de carbono (C). O PVDF pode ser encontrado sob diferentes formas cristalinas, sendo a forma alfa a mais comum, porém esta forma não é polar. A fase b, por outro lado, pode ser polarizada e apresenta, portanto, propriedades piezelétricas, sendo normalmente obtida da forma alfa, por estiramento mecânico⁽¹³⁾.

Do ponto de vista clínico, o PVDF é um polímero utilizado como material de sutura nas cirurgias vasculares. Apresenta, inclusive, desempenho biológico e mecânico superior ao polipropileno, por ser mais biocompatível e por conservar a sua resistência mecânica em até 92,5% após 9 anos de implantação, enquanto que o polipropropileno perde 46% dessa resistência nesse mesmo período^(8,10).

Apesar dessas características, existem poucos estudos que tenha avaliado a potencialidade desse material para a produção de implantes ortopédicos. Em nosso meio, Paschoal⁽¹²⁾ demonstrou que membranas de PVDF polarizadas, quando implantadas entre a cortical lateral do fêmur de coelho e uma placa metálica, estimularam o crescimento ósseo. Em função dessas considerações teóricas é cabível se estudar o efeito de implantes de PVDF piezelétricos no tecido ósseo.

MATERIAL E MÉTODO

Foram utilizados 20 tubos de PVDF [P(VDF-TrFE)] piezelétricos e 20 tubos do mesmo material, não piezelétricos, cedidos pelo Departamento de física, Química e Biologia da Faculdade de Ciência e Tecnologia da UNESP.

Os tubos piezelétricos com coeficiente de d_3h = 2,5 pC/N e capacitância 800 pF/m foram cortados com comprimento de 5 mm, diâmetro externo de 1,9 mm e diâmetro interno de 0,8 mm^®1.

A partir dos tubos piezelétricos fundidos à temperatura de 150º C, obtiveram-se os tubos não piezelétricos, com 5 mm de comprimento, 2 mm de diâmetro externo e 0,7 mm de diâmetro interno.

Animais de experimentação

Foram utilizados 40 Rattus Novergicus da varidade Wistar, machos, fornecidos pelo Biotério Central da UNICAMP. Os procedimentos foram autorizados pelo Comitê de Ética em Experimentação animal do Instituto de Biologia da UNICAMP.

Em 20 animais foram implantados 20 tubos piezelétricos e nos outros 20 foram implantados 20 tubos não piezelétricos, todos na região intercondiliana do fêmur. Em cada grupo, os 20 animais foram divididos em quatro subgrupos, seguidos por 7 dias (5 animais) 3 e 6 semanas e 12 semanas (5 animais).

Procedimento cirúrgico

Após jejum pré-operatório, os animais foram anestesiados com Pentobarbital sódico^®(2) intravenoso na dose 50mg/Kg. A região intercondiliana foi exposta por acesso parapatelar lateral. Os tubos foram implantados na região intercondiliana do fêmur da pata esquerda dos ratos, utilizando-se broca de diâmetro idêntico ao dos tubos com furadeira de baixa rotação^®(3). A profundidade do furo foi de 5 mm, de modo a manter a superfície do tubo rente a superfície articular.

Decorrido o tempo de seguimento, os animais foram sacrificados por overdose de Pentobarbital sódico e o terço distal dos fêmures da pata esquerda foram retirados. Todas as amostras foram fixadas em solução de formaldeido 10% não tamponado por 24 horas, com exceção de 3 animais de cada grupo com tempo de seguimento de 6 e 12 semanas, que permaneceram em solução alcoólica 70% por 24 horas.

Após a fixação, todas as amostras retiradas dos grupos com 7 dias e 3 semanas de seguimento foram descalcificados em solução de ácido nítrico 3% por 3 dias e foram bivalvadas para a retirada dos tubos, com o mínimo de lesão das amostras. As amostras sem os tubos foram preparadas para análise histológica e os cortes obtidos foram corados com Hematoxilina Eosina e Tricômico de Masson.

Das amostras retiradas dos grupos com tempo de seguimento de 6 e 12 semanas, três amostras de cada um destes grupos foram embutidas em resina acrílica^â4 e submetidas à Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) por retroespalhamento para avaliação da interface formada entre o polímero e o osso (Quadro 1).

RESULTADOS

Análise macroscópica

A cicatrização da pele e dos tecidos moles foi evidente a partir do sétimo dia e pode se verificar que o animal deambulava sem restrições. A superfície articular da região intercondiliana foi observada durante o sacrifício dos animais e constatou-se que essa superfície era mais regular nos animais em que haviam sido implantados os tubos piezelétricos (Figura 1).

A análise histológica das amostras com 7 dias, 3, 6 e 12 semanas (n=14) mostrou que não houve formação de cápsula fibrosa ao redor dos implantes em ambos os grupos. A retirada dos tubos de PVDF polarizados do tecido ósseo foi mais difícil, por estarem mais aderidos.

Nas lâminas obtidas do grupo de 12 semanas (n=2) pôde se observar formação de um halo envolvendo toda a superfície interna e externa dos tubos, com aspecto de tecido ósseo (Figura 2). Nos animais nos quais foram implantados os tubos de PVDF não piezelétricos não foi observado crescimento de tecido ósseo.

A Microscopia eletrônica de varredura por feixe retroespalhado mostrou que a interface formada entre os tubos e o osso era constituída essencialmente por tecido ósseo. No interior dos tubos de PVDF piezelétricos seguidos por 12 semanas (n = 3) houve crescimento de tecido ósseo, ao passo que nos interior dos tubos não piezelétricos não foi observado crescimento desse tecido neste mesmo período (Figura 3).

DISCUSSÃO

Dos resultados analisados, alguns achados merecem ser destacados: o aspecto mais uniforme e regular da superfície articular da região intercondiliana com tubos piezelétricos; a dificuldade de se retirar os tubos piezelétricos do leito ósseo e, finalmente, o encontro de tecido ósseo apenas no interior dos tubos piezelétricos. Estes encontros sugerem que a piezeletricidade deve ter influenciado esse comportamento, já que tanto os tubos piezelétricos como os não piezelétircos tinham a mesma origem, composição química e acabamentos superficiais.

A forma como o tecido ósseo interpreta o estímulo piezelétrico e o transforma em atividade biológica é ainda pouco esclarecido na literatura, tanto pela dificuldade de se mimetizar as reais condições ambientais do tecido ósseo, como pelo fato de que o conhecimento dos mecanismos de comunicação intra e extracelular é um tema relativamente recente. Os estudos da biologia das últimas décadas têm sido dirigidos ao conhecimento das moléculas extracelulares de sinalização, pois através dessas as células se tornam capazes de responder a determinados estímulos. Estas moléculas de sinalização se ligam a proteínas-receptoras da superfície celular e posteriormente a proteínas sinalizadoras intracelulares, que encaminham o sinal a partes apropriadas da célula. No final deste processo estão as proteínas_alvo, que são as efetoras finais e induzem a modificação no comportamento celular⁽¹⁾.

Estudos experimentais têm tentado definir qual é a molécula ou sistema que traduz a linguagem do estímulo físico em linguagem biológica, mas até o momento os dados mais atuais sobre o assunto foram definidos baseados em estudos experimentais de cultura de células que, embora sejam muito úteis para esclarecimento de fenômenos isolados, não podem ser extrapolados para o que acontece com o tecido no organismo como um todo. De acordo com Roy et al.⁽¹⁴⁾, os estudos realizados nos últimos 10 anos somente começaram a elucidar os aspectos de sinalização transmembrana e a expressão gênica do tecido ósseo em resposta a estímulos biofísicos, como por exemplo, a alteração de fluxo nos canalículos que unem os osteócitos .

A deformação mecânica em níveis fisiológicos pode criar diferentes gradientes de pressão hidrostática no fluido intersticial dos canalículos do tecido ósseo, que são captados pela membrana celular do osteócito, resultando em aumento da atividade metabólica desta, sugerindo que o osteócito é a célula responsável pelo processo de transdução do estímulo mecânico em biológico. Por outro lado, os estudos in vivo ou in vitro têm mostrado também resposta bastante uniforme do tecido ósseo com relação aos estímulos elétricos, que aumentam a produção e a remodelação óssea. Também, o uso terapêutico dessas técnicas, incluindo estímulos por ultra-som, elétrico e eletromagnético, têm levado a bons resultados clínicos, embora ainda sejam desenvolvidos de forma empírica, sem esquemas de dose-efeito bem definidos, principalmente pela falta de compreensão das interações destas técnicas com a membrana celular⁽²⁾.

De acordo com informações da empresa fornecedora dos tubos piezelétricos, esses tubos foram polarizados com bombardeamento de cargas negativas, ficando assim a parede externa do tubo carregada positivamente e a parede interna negativamente, já que o bombardeamento atraiu as cargas positivas para a parede externa, orientando no interior do material os dipolos e fazendo com que as cargas negativas se concentrassem na parede interna.

Nessas condições, se esse tubo sofresse compressão, cargas positivas seriam geradas em uma das faces e cargas negativas, na outra face. Caso sofresse alongamento, a polaridade das cargas se inverteria. Desse modo, cargas negativas poderiam ser geradas tanto na superfície externa, quanto na superfície interna do tubo, estimulando o crescimento no interior e fora do mesmo.

O tipo e a magnitude da deformação mecânica sofrida pelos tubos neste estudo pode ser questionada, já que por estarem implantados na região metafisária distal dos fêmures, era esperado que não sofressem deformações. Como, então, se pode explicar neste estudo o efeito piezelétrico? Uma das explicações possíveis leva em conta que o tubo de PVDF piezelétrico funcionaria como um eletreto (ou capacitor), que estimularia por si só o crescimento do tecido ósseo, de forma semelhados aos achados de Yasuda⁽¹⁵⁾ com o teflon polarizado. A favor dessa hipótese, há o fato de que o crescimento ósseo só foi observado no interior dos tubos piezelétricos, onde se concentram cargas negativas. Assim, pode-se supor que mesmo após a manipulação e implantação dos tubos a superfície interna manteve-se carregada, com predomínio de cargas negativas que sabidamente estimulam o crescimento ósseo^(2,9).

A outra explicação possível leva em conta o fato de, por estarem implantados na região intercondiliana do fêmur e por esta região ser intra articular, os tubos passaram a sofrer microdeformações com a mudança do gradiente de pressão intra articular, gerada pelo movimento da articulação e durante a marcha. Essas microdeformações devem ter induzido, pelo efeito da piezeletricidade, a formação de correntes elétricas na superfície interna dos tubos, que foram responsáveis pelo crescimento de tecido ósseo, como sugerido por alguns autores^(4,6,7,11).

Apesar dos resultados deste estudo indicarem que houve efeito positivo do PVDF piezelétricos com relação à neoformação óssea, novas investigações são necessárias para que se possa quantificar melhor esse fenômeno e, do ponto de vista clínico, há necessidade de se avaliar a sua aplicabilidade.

Pode-se concluir que na interface formada entre o tubo de PVDF (piezelétrico e não piezelétrico) com o tecido ósseo não houve crescimento de tecido fibroso e que no interior dos tubos piezelétricos houve formação de tecido ósseo, inclusive com arranjo trabecular.

Trabalho recebido em 15/04/2004.

Aprovado em 20/06/2004.

Trabalho realizado no Laboratório de Investigação em Materiais Ortopédicos (LABIMO) - Departamento de Ortopedia e Trtaumatologia - Faculdade de Ciências Médicas - UNICAMP

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  16 Nov 2004
• Data do Fascículo
  Set 2004

Histórico

• Recebido
  15 Abr 2004
• Aceito
  20 Jun 2004