Resistência à Tração de Biomateriais Reabsorvíveis

Fonte: Peiman Shahbeigi-Roodposhti e Sina Shahbazmohamadi, Departamento de Engenharia Biomédica, Universidade de Connecticut, Storrs, Connecticut

Por mais de 4000 anos, as suturas têm sido usadas como intervenção médica. Os primeiros registros indicam que o linho era o biomaterial escolhido. Catgut, que ainda está em uso hoje, foi supostamente usado para tratar gladiadores por volta de 150 a.C. Hoje, há inúmeros materiais sendo usados para suturas. As suturas são classificadas por sua composição (natural ou sintética) e sua absorção (não resorbável ou resorbável).

Suturas resorbáveis (ou absorvíveis) degradam-se no corpo através da degradação enzimática ou da degradação programada causada pela interação da água com grupos específicos na cadeia do polímero. Essas suturas são frequentemente criadas a partir de materiais sintéticos, como ácido poliglicólico, polidioxina e policaprolactona, ou biomateriais naturais, como seda. Eles geralmente são usados para certos procedimentos internos, como cirurgia geral. Suturas resorbáveis manterão a ferida unida por um período de tempo suficiente para a cura, mas então elas eventualmente se desintegram pelo corpo. Por outro lado, as suturas não resorbáveis não se degradam e devem ser extraídas. Eles geralmente são derivados de polipropileno, nylon e aço inoxidável. Essas suturas geralmente são implementadas para cirurgia ortopédica e cardíaca e requerem um profissional médico para removê-las posteriormente.

Aqui, a resistência à tração de dois tipos de suturas resorbáveis será testada após expô-las a soluções neutras, ácidas e alcalinas, que correspondem aos diferentes ambientes de pH encontrados dentro do corpo humano. O teste será composto por duas partes. Primeiro, as amostras de controle serão preparadas e analisadas por meio de testes de tração. Em seguida, as amostras serão testadas após a exposição contínua a soluções de pH variados ao longo de várias semanas.

A degradação do material descreve a perda de desempenho e mudança nas propriedades do material, como resistência à tração, cor e forma, após exposição a um ou mais fatores ambientais. Esses fatores incluem calor, luz, forças mecânicas ou exposição química, como ácidos, álcalis ou sais. Uma maneira de controlar a degradação é pela engenharia de superfície. Isso é feito protegendo uma superfície com uma camada protetora ou modificando o próprio material, por exemplo, através de crosslinking.

Aqui, amostras de amostras disponíveis comercialmente são testadas em uma máquina de testes com um transdutor de força. As amostras são colocadas com segurança nos grampos da máquina de teste (UTM), o UTM é zerado e uma velocidade de deslocamento de 6 mm/min é iniciada até a falha. Após o fracasso, a força máxima é registrada. O design experimental é mostrado na figura abaixo.

Figura 1: Design Experimental.

Duas suturas resorbáveis serão usadas neste experimento: suturas poliglyconato e suturas de polidioxanona. Suturas de poliglicolato sintético são preparadas a partir de uma reação que requer glicolida e carbonato de trimetileno. Ao formar o carbonato poli (glicolide-co-trimetileno), eles são polimerizados. Estes poliglicolídeos têm uma estrutura linear de (C₈H₁₀O₇)_n,que é mostrado abaixo na Figura 2. Por outro lado, as suturas de monofilamento violeta PDS II são sintetizadas a partir de polímeros de polidioxanona, com estrutura linear de (C₄H₆O₃)_n. A polidioxina é mostrada abaixo na Figura 3.

Figura 2: Poli (carbonato de glicolida-co-trimetileno) usado para polimerizar suturas de poliglicolato.

Figura 3: Polidioxina usada para polimerizar suturas.

Ambas as suturas seguem reações de hidrólise através do processo de degradação. Para poliglicolida, ocorre uma hidrólise de duas etapas. Primeiro, o polímero é convertido pela primeira vez em seu monômero (ácido glicólico) por decote de suas ligações éster internas. Em seguida, ocorre um ataque hidrolítico nas porções cristalinas do polímero. À medida que as regiões cristalinas se dissolvem, o polímero entra em colapso. Da mesma forma, as suturas de polidioxanona são degradadas com segurança através do radical éster. Os compostos degradados de ambos os tipos de sutura não são tóxicos e são escondidos com segurança através da urinação ou expiração.

Com o tempo, a solução torna-se mais ácida, devido à presença crescente de íons hidroxil. Os radicais de ácido carboxílico são gerados a partir das extremidades dos monômeros degradados, o que reduz o pH da solução circundante. Estudos recentes têm demonstrado que estruturas de poliglicolídeo e polidioxina se degradam mais rapidamente in vivo do que in vitro,provocadas pela atividade enzimática celular². Os efeitos devido à presença de enzimas biológicas não são observados durante este procedimento in vitro.

1. Preparação da amostra

1. Crie seis etiquetas contendo as informações abaixo e conecte as etiquetas em tubos de teste de topo de rosca.
   1. Data: mês e dia
   2. Tipo de amostra: poligliconcenato ou polidioxina
   3. Tipo de solução: solução ácida (A), alcalina (B) ou neutra (N) com pH variando entre 2 e 14.
2. Abra a embalagem da sutura e remova a sutura. Corte a agulha e descarte-a no recipiente de afiadas.
3. Corte a sutura em 3 pedaços que são aproximadamente 10-12 de comprimento.
4. Observe a cor e as características físicas da sutura.
5. Use uma pinça para medir o diâmetro de cada sutura.
6. Pesar cada sutura e colocar uma amostra em cada tubo de ensaio.
7. Encha os tubos de ensaio rotulados "N" com água deionizada suficiente para cobrir a sutura e, em seguida, cubra os tubos de ensaio.
8. Use uma pipeta para encher os tubos de ensaio rotulados como "A" com solução suficiente de 0,001 M HCl para cobrir a sutura. Lembre-se de tampar os tubos de ensaio.
9. Use uma pipeta para encher os tubos de ensaio rotulados como "B" com solução de NaOH suficiente de 0,001 M para cobrir a sutura. Lembre-se de tampar os tubos de ensaio.
10. Coloque todos os seis tubos de ensaio no rack de metal em um forno a 37 ºC.

2. Teste de tração da amostra de controle

1. Obtenha uma sutura fresca, a amostra de controle e coloque-a na fixação do UTM e fixe-a no lugar.
2. Antes de iniciar a tensão no espécime, zero o UTM pressionando as teclas F1 (força zero) e F2 (zero ramal). Regisso ajuste de velocidade de deslocamento na ficha técnica.
3. Certifique-se de que o pico de espera seja exibido no painel de exibição UTM.
4. Inicie o UTM pressionando a tecla de seta para cima. A força e o deslocamento começarão a mudar no UTM.
5. Carregue o espécime até falhar. Então pare o UTM.
6. Regisso máximo da tela UTM.

3. Perfil de perda de força

1. Remova uma de cada amostra (A, B e N) do forno toda semana durante cinco semanas.
2. Meça o pH da solução no tubo de ensaio com papel pH.
3. Enxágüe a sutura com água deionizada e observe quaisquer alterações físicas ou de cor no material em cada amostra.
4. Se necessário, bata a amostra seca com uma toalha de papel.
5. Pesar cada amostra e registrar o novo peso
6. Coloque o espécime nas garras do UTM e bloqueie-o no lugar.
7. Antes de iniciar a tensão no espécime, zero o UTM pressionando as teclas F1 (força zero) e F2 (zero ramal).
8. Certifique-se de que a ressardia de pico seja exibida no painel de exibição UTM e verifique se a velocidade de deslocamento no UTM é a mesma de quando você testou a amostra de controle.
9. Carregue o espécime até falhar. Então pare o UTM.
10. Regisso máximo de força na falha do visor UTM.

Ao longo de cinco semanas, todas as amostras tratadas foram testadas e analisadas. A partir dos ensaios gerais, as forças médias de tração foram calculadas usando a Equação 1:

(1)

Também foram calculados os desvios padrão de todas as forças em falha no que diz respeito ao tipo de sutura e ao ambiente de solução. Finalmente, a força percentual de tração retida foi determinada usando força de tração média. Abaixo estão os gráficos mostrando resultados representativos.

(2)

O perfil médio de perda de força para as suturas de poliglinato em todas as faixas de pH foi em torno de 81%, 76%, 66% e 54% nas primeiras quatro semanas, respectivamente. Durante as primeiras quatro semanas do experimento, este perfil é quase idêntico às alegações do fabricante para essas suturas. Também é evidente que o perfil original de poliglinato degrada-se a uma taxa ligeiramente mais rápida do que as suturas in vitro experimentais. Isso é atribuído ao fato de que o fabricante realizou testes in vivo, onde fatores como a degradação enzimática estavam presentes. A presença de enzimas biológicas pode aumentar muito a taxa de degradação e reabsorção de biomateriais. In vivo testa sujeitos a amostra para diferentes estresses e interações bioquímicas que faltam procedimentos in vitro. O teste in vivo é geralmente preferido em vez de testes in vitro porque permite que os efeitos gerais de um experimento em um sujeito vivo sejam observados.

Figura 4: Solução Ácida: Resistência à tração de sutura.

Figura 5: Solução neutra, resistência à tração de sutura.

Figura 6: Solução alcalina, resistência à tração sutura.

Figura 7: Solução ácida, força de tração percentual retida.

Figura 8: Solução neutra, força de tração percentual retida.

Figura 9: Solução básica, força de tração percentual retida.

Tabela 1: Dados gerais de sutura de polidioxanona de 5 semanas, forças em falha

Tabela 2: Dados gerais de sutura poligliácea de 5 semanas, forças em falha

Com o tempo, as forças de tração de todos os espécimes de sutura diminuíram. Além disso, para as suturas de polidioxanona, um ambiente ácido foi o mais prejudicial, pois apenas 41,46% da resistência à tração original foi mantida, enquanto 78,58% e 48,95% da resistência à tração original foram retidas para suturas de polidioxanona em soluções alcalinas e neutras, respectivamente. Por outro lado, os percentuais de retenção de força ao longo do tempo para suturas de poliglinato em diferentes soluções de pH foram todos semelhantes. A maior diminuição da resistência à tração para as suturas de poliglinato foi observada em ambiente neutro, onde apenas 41,22% da força original foi mantida. Em ambientes ácidos e alcalinos, 42,79% e 42,81% da resistência à tração original foram retidos para as suturas de poligliçoados, respectivamente.

Se as suturas fossem incubadas a uma temperatura mais alta, teriam se degradado mais rapidamente devido ao aumento da energia inerente encontrada dentro do sistema. Isso permitiria que ocorra uma despolimerização mais espontânea em monômeros. Em outras palavras, à medida que a temperatura aumenta, a força da tração é afetada negativamente. Além disso, se as suturas fossem mantidas em constante estresse, as chances de decadência também aumentariam. Isso seria devido à deformação de arrepiar; esticar as suturas cria locais mais fracos que são primos para absorção. Se as suturas fossem amarradas em nós, um cenário semelhante ocorreria.

Neste experimento, foi avaliada a força de tração das suturas em diferentes ambientes de pH. Ao longo de cinco semanas, os pontos fortes de tração de dois tipos diferentes de suturas foram explorados após a exposição a soluções ácidas, alcalinas e neutras. Os resultados indicam esmagadoramente que as suturas bioabsorbáveis se degradarão ao longo do tempo em qualquer ambiente de pH.

Embora as suturas de poligliças se degradem a uma velocidade mais rápida, as permanecem mais fortes em comparação com as suturas de polidioxanona. Os resultados experimentais também mostram que em períodos de tempo prolongados, as suturas de polidioxanona retêm mais de sua força do que as suturas de poliglico, à medida que a taxa de degradação mais rápida das suturas poliglicianas torna-se mais evidente. No entanto, uma vez que o experimento foi realizado in vitro,não podem ser tiradas conclusões substanciais para a eficácia das suturas de poliglico ou polidioxanona em um modelo bioquímico mais ativo. A degradação enzimática é um aspecto crítico que deve ser considerado. Independentemente disso, ambas as suturas são candidatas viáveis para procedimentos cirúrgicos. Este estudo confirma a importância desse tipo de pesquisa.

Suturas resorbáveis fornecem suporte temporário de feridas, permitindo que a ferida se cure bem o suficiente para suportar forças normais. Geralmente, suturas resorbáveis são usadas para procedimentos internos, de modo que procedimentos cirúrgicos adicionais seriam desnecessários para a remoção da sutura. Após a desintegração, pouco ou nenhum traço da sutura permanece. Suturas resorbáveis também são usadas em pacientes que não podem retornar para um procedimento de remoção de sutura. Por outro lado, suturas não resorbáveis são comumente usadas em fechamento epidérmico, onde as suturas podem ser facilmente removidas após um certo período de tempo. Além disso, suturas não resorbáveis são frequentemente usadas em ambientes internos estressantes também, quando suturas resorbáveis são incapazes de fornecer suporte suficiente de ferida. Estruturas internas como o coração, que suporta consistentemente várias pressões e movimentos, requerem suturas não resorbáveis. Outras aplicações de suturas não resorbáveis incluem cirurgias ortopédicas e fechamento severo em cirurgias cardíacas. Uma vez que as suturas resorbáveis são usadas em partes internas e mais críticas do corpo, é importante testar sua força e analisar a qualidade do produto.

Lista de Materiais

1. Wise, Donald L., et al. Encyclopedic Handbook of Biomaterials and Bioengineering. Marcel Dekker, Inc., New York. 1995. 567-569.
2. Dattilo, P.P., King, M.W., Cassill, N.L., et al. Medical Textiles: Application of an Absorbable Barbed Bi-directional Surgical Suture. J. Text. & App., Tech. & Mgmt. 2002, 2, 1