Sinterabilidade e comportamento biológico de compósitos bioactivos de Matriz de Nitreto de Silício

• Autor(a) principal: Amaral, Margarida Isabel dos Santos
• Data de Publicação: 2001
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/10773/4488
• topic: Engenharia dos materiais - Teses de mestrado; Biomateriais

O principal objectivo da presente dissertação de mestrado é a optimização da produção de compósitos de nitreto de silício (Si3N4)-biovidro e avaliação do respectivo desempenho mecânico e biológico tendo em vista a sua utilização em aplicações biomédicas. Este biomaterial é composto por 70% e 30% em peso de Si3N4 e biovidro, respectivamente, combinando vantajosamente as propriedades de ambos os constituintes. O Si3N4 é um material que apresenta uma excelente conjugação de propriedades mecânicas para um cerâmico e funciona como matriz estrutural deste biocompósito. O biovidro confere-lhe bioactividade, promovendo igualmente a sinterização na presença de fase líquida. A produção de amostras com 98% de densidade relativa foi possível através da optimização das condições de prensagem a quente. Após alguns estudos neste âmbito, utilizou-se o seguinte ciclo de sinterização: velocidade de aquecimento de 10ºC/min até 1350ºC, seguido por um patamar de 40 min, sob uma pressão de 30 MPa. A utilização deste ciclo permitiu velocidades de densificação elevadas evitando a cristalização da fase intergranular, constituída pelo biovidro, mantendo desta forma as suas propriedades intrínsecas. A caracterização microestrutural do compósito e os estudos da cinética de sinterização permitiram concluir que a densificação ocorreu essencialmente durante o primeiro estágio da prensagem a quente assistida pela fase líquida. A existência de uma quantidade significativa desta fase possibilitou o rearranjo das partículas de Si3N4 e apenas uma pequena parte da densificação é acompanhada pela transformação de fase α-Si3N4→β-Si3N4. O compósito Si3N4-biovidro apresenta tipicamente as seguintes propriedades mecânicas: tenacidade à fractura, KIC = 4.4±0.5MPa.m1/2; dureza Vickers, HV = 10.3±0.5GPa; módulo de Young, E = 197±4GPa; resistência à flexão, σR = 383±47MPa; e finalmente, o módulo de Weibull, m = 8.3±0.6. A realização de estudos de molhabilidade com vários líquidos, água, diiodometano, SBF (simulated body fluid) e uma solução de albumina bovina (SBF+BSA-bovine serum albumin), permitiu caracterizar a superfície deste novo compósito. A 25ºC, revelou um carácter particularmente hidrofílico sendo o valor do ângulo de contacto com a água, 26.6±2.0º, e o valor de tensão superficial, γSV = 66.6 mJ.m-2, superior ao dos biocerâmicos mais comuns. Outra característica importante é o elevado trabalho de adesão, Wa=96.4±0.2 mJ.m-2, que apresenta em relação à solução proteica SBF+BSA. Estudos de potencial zeta permitiram concluir que para valores de pH superiores ao ponto isoeléctrico, pHIEP=2.5, o compósito Si3N4-biovidro encontra-se carregado negativamente. Isto deve-se, principalmente, à presença de ligações Si-O insaturadas e grupos Si-OH na sua superfície. Desta forma, quando imerso na solução SBF+BSA, que apresenta um valor de pH igual a 7, o compósito é fortemente negativo. A adsorção da albumina nestas condições explica-se em termos de ganhos de entropia e entalpia resultantes da sua desnaturação e também através da coadsorção de catiões na superfície do material. O tratamento do compósito Si3N4-biovidro, através da sua imersão em meio de cultura celular, demonstrou que a adsorção de proteínas é um processo que ocorre rapidamente na superfície do material. Verificou-se igualmente a dissolução da fase intergranular ao longo do tempo, acompanhada da formação de cavidades de várias dimensões. A avaliação da proliferação celular durante um período de cultura de 5 dias permitiu concluir que as superfícies, com e sem pré-tratamento, apresentam um comportamento semelhante em relação à proliferação da linha celular de osteoblastos humanos MG63.