Biopolímeros, ou polímeros para uso biológico, têm sido intensamente estudados nas últimas décadas. Os biopolímeros melhor conhecidos e mais extensivamente empregados são, dentre outros, o polimetilmetacrilato, o polietileno e as borrachas de silicone, que permitiram o desenvolvimento de larga variedade de implantes ou de peças para uso em diferentes tipos de procedimentos cirúrgicos reconstrutores. O polimetilmetacrilato, por exemplo, é muito utilizado como cimento para fixação de próteses e outros implantes ósseos; o polietileno de peso molecular ultra-alto é usado principal-mente para confeccionar partes das próteses articulares de baixo atrito e alto impacto; e as borrachas de silicone são o principal componente das pequenas próteses articulares para a mão e outras próteses para cirurgia plástica, como as mamárias e faciais.
Um novo polímero derivado do óleo de mamona, ou óleo de rícino, extraído das sementes de mamona (Ricinus communis, classe Dicotiledôneas, ordem Geraneáceas, família Euforbiáceas), foi desenvolvido. O óleo de mamona é na realidade um poliéster, formado por três moléculas do ácido ricinoléico (ácido 12-hidroxi-oléico, ou C18O3), cada uma com um grupo hidroxila no carbono 12, propício para polimerização por meio de ligações uretana. Os grupos hidroxila do ácido ricinoléico reagem com os grupos isocianato (HNCO) do pré-polímero difenilmetandiisocianato (DPMDC) para formar poliuretanas, cujas propriedades químicas e físicas incluem fácil processabilidade, flexibilidade de formulação, baixa temperatura de polimerização, ausência de emissão de gases tóxicos e versatilidade de resistência estrutural, além do baixo custo, vantagens que induziram ao estudo de sua aplicabilidade como material para implantação em tecidos vivos, particularmente o osso, uma vez testada sua biocompatibilidade.
Embora os detalhes não tenham sido fornecidos, surgiram alguns relatos do emprego da poliuretana do óleo de mamona para realizar procedimentos de salvação, particularmente na reconstrução de grandes falhas da mandíbula, resultantes de ressecção de tumores, até agora com resultados satisfatórios (Chierici, G., dados não publicados).
Além desses relatos, uma investigação experimental também foi realizada, com ênfase nas avaliações histológica e bacteriológica locais e na procura de possíveis alterações em órgãos distantes, para testar a biocompatibilidade da poliuretana implantada nos tecidos muscular e subcutâneo de coelhos, em vários períodos pós-operatórios. Os resultados mostraram ausência de infecção, de reação inflamatória e alterações nos rins, no fígado e no baço(6).
Posto isso, o objetivo da presente investigação foi estudar a biocompatibilidade e outras propriedades potenciais da poliuretana do óleo de mamona, tais como a osteocondução e a osteoindução, bem como sua resistência mecânica como peça de substituição para um segmento diafisário ressecado, utilizando ambos os rádios de coelhos.
MATERIAL E MÉTODOS
Foram empregados nesta investigação 34 coelhos da raça Nova Zelândia, com idade entre 8 e 10 semanas e peso ao redor de 2kg. Vinte e oito animais foram distribuídos em quatro grupos, de acordo com o período pós-operatório de 2, 4, 8 e 16 semanas, respectivamente, e outros seis foram usados como controle. O modelo experimental de defeito ósseo diafisário foi escolhido, por propiciar tanto o estudo da biocompatibilidade em nível histológico, como a avaliação da resistência mecânica da poliuretana. Ambos os rádios foram operados em todos os animais (tabela 1).
Sob anestesia geral e exsanguinação, o rádio era abordado através de uma incisão longitudinal retilínea de 4cm de comprimento, na face dorsolateral do antebraço. Os tendões extensor comum dos dedos e extensor radial do carpo eram afastados um para cada lado e toda a metade distal do rádio era exposta por dissecção extraperiostal. Um segmento de 2cm de comprimento do rádio era removido por meio de duas osteotomias transversas completas, feitas com uma serra elétrica rotativa, a osteotomia distal estando situada cerca de 1,5cm proximalmente à articulação radiocárpica, de modo a preservá-la. O defeito assim criado era, então, preenchido com a poliuretana de mamona (figura 1).
A poliuretana de mamona era fornecida em dois frascos separados, identificados como A e B, ambos esterilizados por radiação gama. O frasco A continha o pré-polímero (DPMDC) e o frasco B, o óleo de mamona purificado (poliéster), em volumes adequados para obter cimento rígido quando misturados. Primeiro, o pré-polímero do frasco A era misturado com carbonato de cálcio em pó, também estéril, até que formassem uma mistura homogênea; depois, o poliéster do frasco B era adicionado, sendo novamente misturado até completa homogeneização.
A reação de polimerização era discretamente exotérmica (± 40ºC) e em cerca de 20 minutos a poliuretana estava pronta, lembrando o cimento acrílico e permitindo manipulação e modelagem. Um cilindro de 2cm de comprimento era então confeccionado com a poliuretana e implantado dentro do defeito enquanto ainda pastoso, com cuidadosa adaptação aos cotos ósseos. Cerca de 10 a 15 minutos eram necessários para que a poliuretana estivesse completamente polimerizada e rígida.
O mesmo procedimento era realizado simultaneamente em ambos os antebraços. As feridas operatórias eram fechadas por camadas e um curativo seco era aplicado, mas nenhum tipo de fixação, interna ou externa, era usado. Antibioticoterapia profilática era instituída por três dias (penicilina procaína, 100.000U/kg/dia). Para os animais do grupo de controle, o procedimento operatório era exatamente o mesmo, mas a poliuretana não era colocada no defeito, que era deixado vazio.
Controles radiográficos eram tirados no período pós-ope-ratório imediato e com 2, 4, 8 e 16 semanas da operação, usando rigorosamente a mesma técnica (48kV, 40mA, tempo de exposição de 0,1ms e distância de 1,0m) e o mesmo tipo de filme de radiografia (Sakura RHS, 18 x 24cm). Os filmes expostos eram revelados em máquina processadora automática de raios X (Kodak RP-Omat). Após a avaliação radiográfica, os animais eram sacrificados com uma dose letal endovenosa de anestésico geral, de acordo com o grupo ao qual pertenciam. Os antebraços eram amputados na altura do cotovelo e todos os tecidos moles cuidadosamente removidos sem separar o rádio da ulna, para evitar a desmontagem do rádio. Os espécimes eram fixados em formol a 10% por pelo menos 72 horas, após o que o rádio era separado da ulna por secção da membrana interóssea e tinha suas extremidades proximal e distal aparadas, de modo a deixar apenas a porção central, medindo 30mm de comprimento e con-tendo o cilindro da poliuretana. Esse segmento era seccionado transversalmente em duas partes na altura da junção entre os 3/4 proximais e o 1/4 distal do cilindro de poliuretana. A parte proximal continha a transição osso-poliuretana proximal, medindo 20mm (5mm de osso diafisário e 15mm do cilindro de poliuretana), e a parte distal continha a transição osso-poliuretana distal, medindo 10mm (5mm do cilindro de poliuretana e 5mm de osso diafisário).
A transição osso-poliuretana proximal era dividida longitudinalmente em duas metades e submetida ao estudo macroscópico sob magnificação (4 a 20x) com o microscópio cirúrgico, para determinar a relação entre o coto ósseo, o cilindro de poliuretana e o tecido formado ao seu redor, particularmente a fixação entre um e outro. Documentação fotográfica era obtida de todos os espécimes (1/4x).
A transição osso-polímero distal era preparada para o estudo histológico, começando com a descalcificação em solução aquosa de ácido clorídrico a 7,5%, seguida pela inclusão em blocos de parafina. Os cortes histológicos obtidos (6µm-thick) eram corados pelos métodos de hematoxilinaeosina + floxina e do tricrômico de Gomori e examinados ao microscópio de transmissão de luz, em sistema duplo-cego. Fotomicrografias foram obtidas de todos os cortes para análise e comparação.
RESULTADOS
Aspectos gerais
A marcha era quase impossível para todos os animais até o segundo dia pós-operatório, mas melhorava lentamente do terceiro ao sexto dias, tornando-se normal depois da primeira semana. Em alguns animais, um edema fusiforme moderado persistiu por não mais do que uma semana, cedendo espontaneamente depois disso. Dois animais foram descartados dos grupos de teste já na primeira semana devido a complicações, a saber: fratura exposta do rádio e epifisiólise distal da ulna, respectivamente. Esta última complicação também foi observada nos seis animais do grupo-controle, sen-do unilateral em dois e bilateral em quatro, num dos quais ocorreu ainda fratura exposta da ulna seguida de infecção grave e morte.
Avaliação radiológica
Como regra, os aspectos radiológicos foram muito semelhantes para todos os animais de todos os grupos, a relação osso-poliuretana tendo sido muito homogênea, tanto na transição proximal como na distal. Igualmente, o aspecto geral da poliuretana não variou entre os animais de um mesmo grupo e entre os grupos. O cilindro de poliuretana estava alinhado com o eixo longo do rádio em todos os animais, no controle pós-operatório imediato; os controles subseqüentes, todavia, mostraram discreta angulação do cilindro em alguns casos, entre a 2ª e a 8ª semanas, tendo havido estabilização até a 16ª. Grande angulação foi observada em apenas um caso, cujo fator causal foi uma infecção.
Grupo 1 (duas semanas, dez rádios estudados): o exame radiográfico mostrou discreta reação periostal nos cotos ósseos, tendendo a formar um calo ao redor da transição ossopoliuretana em sete espécimes; em um único animal a reação era intensa. Em seis animais, uma linha transluzente marcava a interface osso-poliuretana, localizando-se na transição proximal em três e na distal em outras três (figura 2A).
Grupo 2 (quatro semanas, 12 rádios estudados): a reação periostal nas transições osso-poliuretana era mais evidente do que no grupo anterior. A linha transluzente na interface osso-poliuretana persistiu na transição proximal em três animais e na distal em dois. Discreta angulação dos cotos ósseos foi observada em um e em dois animais, respectivamente. Infecção unilateral ocorreu num único animal, produzindo intensa reação periostal, borramento da imagem do cilindro de poliuretana e acentuada angulação dos cotos ósseos. Em outro animal, discreta reação periostal foi também observada na ulna adjacente, na altura da transição osso-po-límero proximal do rádio, assemelhando-se a fratura por fadiga (figura 2B).
Grupo 3 (oito semanas, 16 rádios estudados): a reação periostal diminuiu ou permaneceu estável em relação ao grupo anterior. Entretanto, em 12 rádios, tanto a transição ossopoliuretana proximal como a distal estavam completamente circundadas por calo ósseo, que tendia a progredir ao longo do cilindro de poliuretana, como se encapsulando-o. O canal medular estava obliterado por fina camada de osso esclerótico, em praticamente todos os animais. A linha transluzente que marcava a interface osso-poliuretana ainda era visível em dois rádios, combinada com pequena angulação do coto ósseo proximal. Angulação dos cotos ósseos proximal ou distal foi observada em dois e um animais, respectivamente. Novamente, uma aparente fratura por fadiga da ulna foi observada em cinco animais, na altura do cilindro de poliuretana em todos eles. Grave infecção seguida de morte ocorreu em um animal (figura 2C).
Grupo 4 (16 semanas, 14 rádios estudados): não foi observada mais nenhuma reação periostal nas transições ossopoliuretana proximais e distais, mas uma fina camada de tecido ósseo maduro aparecia encapsulando todo o comprimento do cilindro de poliuretana, conferindo aspecto homogêneo ao conjunto. A integração entre o osso e a poliuretana parecia ser completa e a linha transluzente que marcava a interface dos dois nos grupos anteriores não era mais visível. Em quatro casos, era possível identificar o canal medular aberto nos cotos ósseos (figura 2D).
Avaliação macroscópica
Grupo 1 (duas semanas, dez rádios estudados): tecido fibroso abundante circundava a transição osso-polímero. Uma fina camada do mesmo tecido aparecia revestindo o cilindro de poliuretana, mas não aderia a ele. Em três espécimes, o cilindro destacou-se completamente dos tecidos circundantes, tão logo as osteotomias longitudinais foram completadas.
Grupo 2 (quatro semanas, 12 rádios estudados): os achados foram semelhantes aos do grupo 1, mas o tecido fibroso ao redor da transição osso-poliuretana e do cilindro era mais espesso e consistente, parecendo reação periostal. Em dois espécimes, o cilindro de poliuretana ficou completamente solto dos tecidos circunjacentes como efeito da osteotomia. No espécime do animal com infecção, o tecido fibroso era ainda mais espesso e aderente aos tendões vizinhos.
Grupo 3 (oito semanas, 16 rádios estudados): era difícil identificar a transição osso-poliuretana. O tecido fibroso circunjacente havia diminuído em volume, mas parecia mais organizado, apresentando consistência óssea em algumas áreas, inclusive ao longo do cilindro, que ficou completamente solto pelo manuseio em um dos espécimes.
Grupo 4 (16 semanas, 14 rádios estudados): o tecido fibroso ao redor da transição osso-poliuretana e ao longo do cilindro estava quase inteiramente ossificado, formando um estojo ósseo coberto por fina camada de tecido fibroso que parecia periósteo. Ainda assim, o cilindro ficou completamente solto em metade dos espécimes (figura 3).
Avaliação histológica
Grupo 1 (duas semanas, dez rádios estudados): processo inflamatório agudo formado predominantemente por neutrófilos e reação fibrosa desorganizada eram vistos ao redor da interface osso-poliuretana e ao longo do cilindro. No coto ósseo, a reação periostal confundia-se com o tecido fibroso neoformado ao redor do cilindro. Não se observavam células gigantes, nem qualquer outra estrutura histológica que caracterizasse reação de corpo estranho. A poliuretana era po-rosa e seus poros, de vários diâmetros, estavam cheios de eritrócitos em diferentes fases de degeneração (figura 4A).
Grupo 2 (quatro semanas, 12 rádios estudados): o infiltrado inflamatório, agora formado principalmente por linfócitos mononucleares, era discreto e restrito à superfície do cilindro. Osso trabecular neoformado era visto dentro do tecido fibroso que circundava a transição osso-poliuretana, sen-do mais evidente no lado do coto ósseo, em clara reação periostal. Entretanto, trabéculas menores eram vistas também dentro do tecido fibroso ao longo do cilindro, cujos poros estavam agora cheios de substância amorfa, provavelmente derivada dos eritrócitos degenerados (figura 4B).
Grupo 3 (oito semanas, 16 rádios estudados): infiltrado inflamatório aparecia apenas em áreas esparsas ao redor do cilindro. O tecido fibroso ao redor da transição osso-poliure-tana era mais denso e mais organizado, com maior conteúdo colágeno. As trabéculas ósseas neoformadas dentro do tecido fibroso haviam aumentado em número e volume, cobrindo quase todo o segmento de poliuretana visível no corte (figura 4C).
Grupo 4 (16 semanas, 14 rádios estudados): não havia mais qualquer sinal de inflamação e a transição osso-poliu-retana estava totalmente envolta por tecido ósseo, uniformemente distribuído ao longo do coto ósseo e do cilindro, como que encapsulando-o. O tecido fibroso estava reduzido a fina camada, parecendo periósteo. Não havia nenhuma evidência de reabsorção, nem de tecido ósseo desenvolvido dentro da poliuretana, cujos poros permaneciam cheios de substância amorfa (figura 4D).
DISCUSSÃO
Todos os polímeros atualmente em uso em cirurgia ortopédica apresentam uma série de desvantagens, que às vezes aparecem depois de muitos anos de implantação. O polimetilmetacrilato, por exemplo, produz calor excessivo e libera gases tóxicos durante sua cura, produzindo necrose tissular e fenômenos tromboembólicos. Além disso, a longo prazo sua interface com o tecido ósseo é problemática, pois pode ocorrer afrouxamento lento e progressivo dos elementos protéticos. Tais desvantagens levaram ao desenvolvimento de próteses não cimentadas para o quadril e o joelho, por exemplo.
O polietileno, apesar de seu baixo coeficiente de atrito com o aço, sofre desgaste lento e progressivo, liberando partículas cujos efeitos nos tecidos ainda são desconhecidos. Fenômeno semelhante ocorre com a borracha de silicone, cujas partículas podem produzir sinovite local nas pequenas articulações da mão, além de migrar para órgãos distantes, tais como os linfonodos, o baço e o fígado.
A procura de novos biopolímeros deve prosseguir até que se encontre o ideal, o qual, além da biocompatibilidade completa, deve também apresentar interface ativa com os tecidos vivos, particularmente o osso, no caso dos implantes ortopédicos, de modo a não causar rejeição, nem afrouxamen-(1,7). Outras propriedades desejáveis dos biopolímeros seriam a osteoindução, ou capacidade de induzir à formação de tecido ósseo novo, e a osteocondução, ou habilidade de conduzir ou dirigir o osso neoformado. A osteoindução ain-da não foi demonstrada com substâncias não biológicas, mas a osteocondução parece ocorrer com alguns polímeros biocompatíveis e biodegradáveis(3-5).
Desde o começo das investigações sobre as propriedades químicas e físicas da poliuretana do óleo de mamona, pareceu aos autores que este material é adequado para aplicações biológicas e médicas, já que pode ser preparado com diferentes consistências, simplesmente variando a proporção de seus componentes. Realmente, o material pode ser preparado tanto com consistência elástica, semelhante à da borracha de silicone, ou rígida como o cimento acrílico, e parece próprio para a fabricação de larga variedade de implantes para substituição de partes do esqueleto. Neste estudo, a poliuretana foi usada como cimento preparado imediatamente antes de seu emprego, pois estávamos interessados principalmente na resposta biológica a sua presença no tecido esquelético. O carbonato de cálcio foi adicionado aos componentes básicos da poliuretana com o duplo propósito de conferir-lhe porosidade e torná-la visível aos raios X.
Além do estudo das propriedades biológicas da poliuretana, o modelo experimental empregado, baseado no defeito diafisário de um único osso do antebraço, tinha também o propósito de testar a resistência mecânica do material, através de sua capacidade de manter o comprimento do rádio e a estabilidade transversal do antebraço. O rádio de coelhos está firmemente unido à ulna por meio das articulações radioulnar proximal e distal e de ligamentos interósseos muito fortes, que limitam completamente a pronação e a supinação, sem interferir com a flexo-extensão no cotovelo e no punho. A estabilidade depende da integridade de ambos os ossos, as cargas axiais sendo suportadas principalmente pelo rádio e as forças transversais de cisalhamento pela ulna. Isso ficou evidente nos animais do grupo-controle, que apresentaram alta incidência de falha da ulna, devido à epifisiólise distal, quando teve que suportar sozinha a carga antes compartilhada com o rádio (figura 5).
Assim, o modelo empregado foi adequado para os objetivos desta investigação, pois foi possível demonstrar a capacidade de o cilindro de poliuretana neutralizar as cargas axiais e as forças de cisalhamento impostas pela marcha no antebraço do coelho. De fato, nos grupos de teste a substituição do segmento diafisário do rádio com o cilindro de poliuretana restaurou quase toda a estabilidade, pois a incidência de complicações foi muito menor do que a vista no grupo-con-trole. Ainda assim, a angulação do cilindro em relação aos cotos ósseos foi um achado freqüente nos grupos mais precoces, fato que indica certo grau de instabilidade. A incidência de angulação diminuiu paulatinamente nos grupos mais tardios, indicando estabilização progressiva, conforme o osso neoformado se desenvolveu ao redor da poliuretana, transpondo a falha entre os cotos.
O crescimento do osso neoformado ao redor da poliuretana foi precedido pelo desenvolvimento de camada espessa de tecido fibroso de maturação progressiva, entre a 2ª e a 4ª semanas. Esse processo pode ser chamado de reação periostal, pois começou nos cotos ósseos, na transição osso-poliu-retana, e progrediu de modo a encapsular o cilindro, de acordo com os achados radiológicos, macroscópicos e histológicos. Todavia, algumas trabéculas neoformadas pareciam surgir dentro do tecido fibroso sem nenhuma conexão com o osso neoformado ao redor dos cotos ósseos. Como não havia tecido formador de osso ao redor do cilindro, pois a ressecção segmentar incluiu o periósteo, concluímos que pode ter havido indução de células mesenquimais pluripotenciais, pela própria poliuretana, por mecanismo não esclarecido, que pode ser químico ou físico, mas que se constituiria na propriedade de osteoindução.
Mesmo que não tenha havido estimulação da neoformação óssea, esta no mínimo não foi perturbada pela presença da poliuretana e mostrou-se um processo ordenado, aparentemente guiado pela superfície do cilindro, e não desorganizado, como é o caso do preenchimento de defeitos ósseos deixados vazios, que normalmente é um processo em que predomina o tecido fibroso conjuntivo(2). Esta seria a propriedade de osteocondução da poliuretana, que juntamente com a osteoindução, requer confirmação em investigações futuras. De qualquer modo, a poliuretana desenvolveu uma interface ativa com os tecidos vizinhos, como já descrito para outros polímeros(7). Embora tal interação tenha ocorrido, a poliuretana não aderiu ao osso neoformado, tendo sido facilmente destacada durante o processamento para os estudos macroscópico e histológico.
A reação inflamatória inicial, observada na 2ª e na 4ª semanas, provavelmente deveu-se ao trauma cirúrgico, somente, e não à presença da poliuretana, pois cedeu quase inteiramente na 8ª semana e desapareceu completamente na 16ª. A presença de reações granulomatosas, com células gigantes ou fagócitos, que pudessem indicar reação de corpo estranho, não foi detectada em nenhum espécime. Igualmente, não houve nenhuma evidência de que a poliuretana estivesse sofrendo reabsorção, nem de que estivesse ocorrendo neoformação óssea dentro de seus poros.
Os presentes achados indicam que a poliuretana derivada do óleo de mamona é um polímero biocompatível que pode ter outras propriedades úteis para a cirurgia ortopédica, tais como a osteoindução e a osteocondução, fenômenos já demonstrados para outras substâncias(3-5), mas novos experimentos são necessários para confirmar essa hipótese.
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