O emprego de polímeros absorvíveis nas cirurgias ortopédicas tem histórico bastante recente(1). Esta nova área da pesquisa de biomateriais tem por objetivo o desenvolvimento de implantes biocompatíveis, dotados de propriedades mecânicas adequadas à estabilização óssea e aptos a dispensar uma segunda intervenção cirúrgica para a sua remoção(2).
No aparelho locomotor polímeros absorvíveis são empregados nas osteossínteses metafisárias(3,4), cirurgias ligamentares e meniscais do joelho(5,6), artrodeses(7) e no tratamento das fraturas epifisárias das crianças(8). O ácido poliglicólico, o ácido polilático, a poliglactina e a poliparadioxanona são os biomateriais mais utilizados na produção de pinos, placas, parafusos, grampos e âncoras absorvíveis(9).
Em nosso meio, pesquisas envolvendo o óleo da mamona culminaram com o desenvolvimento de uma poliuretana vegetal biocompatível e absorvível(10). Este polímero teria como vantagem o fato de ser produzido a partir de matéria-prima nacional e, portanto, a baixo custo(11).
O objetivo do nosso trabalho foi comparar implantes de poliparadioxanona e de poliuretana da mamona quanto às suas propriedades mecânicas e ao seu comportamento biológico em coelhos.
MATERIAL E MÉTODO
Pinos cilíndricos de poliparadioxanona (PDS) e de poliuretana da mamona com diâmetros respectivos de 1,3mm e de 1,4mm, medindo 12mm de comprimento, foram utilizados como corpos de prova (CPs) em ensaios mecânicos de cisalhamento (figura 1). Os testes foram realizados no Laboratório de Bioengenharia da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto-USP em uma máquina universal de ensaios dotada de uma célula de carga Kratos®, com capacidade até 200kgf, e de um relógio comparador Mitutoyo® para a medida da deformação dos corpos de prova, com precisão de 0,01mm. O sistema foi estabilizado com uma pré-carga de 0,3kgf. A velocidade de aplicação de carga foi de 0,15mm/min, sendo a carga registrada a intervalos de deformação de 0,02mm (figura 1). Foram elaborados gráficos carga x deformação, a partir dos quais calculamos propriedades tais como carga máxima (Cmax), entendida como o maior valor de carga registrado para cada ensaio, carga no limite de proporcionalidade (Cprop), definida como o último ponto do segmento reto da curva carga x deformação, resiliência (Rs), caracterizada como sendo a energia absorvida pelo corpo de prova durante a fase elástica, e a rigidez (R), obtida pela medida da tangente do ângulo de inclinação da reta do gráfico carga x deformação. Para a análise comparativa dos resultados foi utilizado o teste t de Student não pareado com nível de significância fixado em 5% (p < 0,05).
Concluída a análise do perfil mecânico dos implantes poliméricos, decidimos avaliar o seu comportamento biológico in vivo. Para esse fim, 31 coelhos fêmeos da raça Nova Zelândia foram submetidos à anestesia endovenosa com nembutal sódico, na dose de 15mg/kg, e cloridrato de clorpromazina, na dose de 2mg/kg. A anestesia sistêmica foi mantida em um plano superficial e complementada pelo uso de 2ml de lidocaína a 1% no local da incisão cirúrgica. Os animais foram submetidos a um procedimento cirúrgico padrão, consistindo na artrotomia do joelho direito, osteotomia do côndilo femoral medial no plano axial e fixação do segmento osteocondral resultante com dois pinos absorvíveis de um mesmo polímero (figura 2). No pós-ope-ratório dispensou-se o uso de imobilizações, estando os coelhos acondicionados em gaiolas e aptos a deambular. Um grupo de 16 animais foi tratado com implantes de poliuretana da mamona, enquanto os demais receberam pi-nos de poliparadioxanona. Cada grupo de coelhos foi dividido em três subgrupos de pelo menos cinco animais, diferenciados pelo tempo de sacrifício ocorrido, respectivamente, às três, seis e 12 semanas de pós-operatório. Na data do sacrifício, os animais foram submetidos à nova artrotomia do joelho, objetivando-se proceder à análise macroscópica do sítio da osteotomia, do aspecto da cartilagem e da sinovial. Os fêmures operados foram desarticulados e submetidos à excisão do côndilo femoral lateral. Desse modo realizamos o estudo radiográfico em perfil do côndilo femoral medial para avaliar a consolidação das osteotomias, a presença eventual de osteólise e alterações de radioluzência nos sítios dos pinos relacionadas ao tempo de implantação. Finalmente, os espécimes femorais foram avaliados do ponto de vista histológico, quando foram caracterizados, qualitativamente, aspectos como a biodegradação dos implantes e a ocorrência de osteogênese nos sítios dos pinos.
RESULTADOS
A figura 3 apresenta o gráfico carga x deformação expressando os valores médios obtidos nos ensaios mecânicos de cisalhamento dos corpos de prova de PDS e de mamona.
Enquanto a poliparadioxanona expressa uma curva caracterizada por uma longa fase elástica, com o início do escoamento a partir de, aproximadamente, uma carga de 70N, a poliuretana da mamona já atinge a fase plástica à carga aproximada de 30N.
A tabela 1 ilustra as propriedades mecânicas dos polímeros estudados, calculadas a partir dos gráficos carga x deformação dos corpos de prova.
O estudo in vitro apontou diferenças significativas de comportamento mecânico entre os dois polímeros, sendo a poliparadioxanona superior em todas as propriedades mecânicas estudadas, exceto a rigidez.
O experimento com os animais demonstrou que os implantes dos polímeros estudados foram eficientes na fixação dos segmentos osteocondrais. Isso ficou evidente pelo fato de termos obtido a consolidação óssea sem desvios em 96,8% dos casos, mesmo estando os animais sem imobilizações e livres para a deambulação desde o pós-operatório imediato.
O exame macroscópico dos joelhos operados revelou a presença de membrana sinovial de aspecto normal, cartilagem de aspecto brilhante, estando os pinos nos sítios de implantação em todos os animais. Houve diferença significativa entre os polímeros estudados, quando analisamos o aspecto dos pinos após os diferentes períodos de implantação. Enquanto os pinos de poliuretana da mamona não revelaram qualquer tendência à desintegração, os implantes de poliparadioxanona sofreram degradação progressiva nos respectivos períodos (figura 4).
O estudo radiográfico confirmou os achados macroscópicos. A consolidação óssea das osteotomias sem deformidades foi a regra, exceto em um único caso, tratado com pino de poliparadioxanona e sacrificado após 12 semanas de pós-operatório. Neste animal o local da osteotomia revelava aspecto de pseudartrose. Não foram detectadas reações de osteólise em qualquer dos animais operados. Quanto às evidências radiográficas de bioabsorção e osteoneogênese, houve diferenças significativas entre os dois polímeros. Nos animais tratados com pinos de poliuretana da mamona, os sítios de implantação mantiveram aspecto radiolúcido às três, seis e 12 semanas de pós-operatório. Já os coelhos tratados com poliparadioxanona apresentaram tendência progressiva de radiopacidade dos sítios dos implantes, nos períodos estudados, sugerindo osteogênese nestes locais (figura 5).
Os cortes histológicos tornaram mais evidentes as diferenças de comportamento biológico entre os dois biomateriais. Enquanto os sítios dos implantes de poliparadioxanona revelaram atividade osteogênica evidente em sua periferia, o mesmo não foi constatado nos animais tratados com poliuretana da mamona (figura 6).
DISCUSSÃO
Os implantes ortopédicos apresentam como característica comum o fato de serem necessários apenas enquanto ocorre a consolidação óssea(2). O implante ideal deveria ter como propriedades a biocompatibilidade, a resistência mecânica às demandas de estabilização óssea e a bioabsorvi-bilidade(12). Infelizmente, esse implante ainda não existe e os biomateriais mais utilizados nas cirurgias ortopédicas são as ligas metálicas(13).
A permanência prolongada dos implantes metálicos no organismo está relacionada a questões como corrosibilidade(14), imunogenicidade(15), carcinogenicidade(16) e alteração da fisiologia óssea ou stress shielding(17). Em virtude desses aspectos, alguns grupos sugerem uma segunda intervenção cirúrgica para a sua remoção(18), implicando novos custos e riscos ao paciente(19).
Os implantes absorvíveis apresentam como vantagem o fato de permitirem transferência gradual do estresse de carga ao osso, uma vez que se desintegram durante a cicatrização óssea. A principal desvantagem atual do uso desses implantes reside na sua inferioridade mecânica, quando comparados com seus similares metálicos(20).
A pesquisa em torno dos polímeros absorvíveis apresenta horizonte bastante amplo, uma vez que é possível trabalhar o desenho molecular destes biomateriais visando alterar as suas propriedades físicas. Assim, um mesmo polímero pode ser produzido com a rigidez necessária para compor um dispositivo de osteossíntese ou com a porosidade exigida para constituir membranas coadjuvantes do preenchimento de falhas ósseas. O fato de a maioria dos trabalhos em literatura médica não enfatizar as propriedades físico-químicas dos polímeros pode dificultar análises comparativas multicêntricas e possibilitar erros de interpretação dos resultados(21).
Em nosso estudo comparamos implantes de poliparadioxanona, disponíveis comercialmente à custa de importação, com implantes produzidos a partir de matéria-prima nacional.
O estudo in vitro dos pinos revelou comportamento mecânico completamente distinto entre os dois polímeros. Enquanto os implantes de PDS apresentaram gráficos com zonas elásticas amplas, os implantes da mamona logo atingiram a fase plástica. Os implantes de poliparadioxanona apresentaram superioridade mecânica em todas as propriedades avaliadas, exceto a rigidez. As diferenças encontradas para os dois polímeros foram estatisticamente significantes (p < 0,05) para todas as propriedades analisadas.
As complicações mais freqüentemente descritas em associação ao uso de implantes absorvíveis são a ocorrência de reações inflamatórias(22) e de osteólise(23). Embora estes efeitos adversos não sejam documentados nos experimentos com animais, a sua incidência no uso clínico em humanos chega a 10%. Ao que tudo indica, esses efeitos adversos estão relacionados à rápida metabolização dos polímeros e a sua ocorrência não parece interferir com o resultado final do tratamento(23). Em nosso trabalho não detectamos a ocorrência de reações inflamatórias ou osteólise mediante o uso de qualquer um dos dois polímeros. O experimento in vivo reservou-nos a maior surpresa do estudo: os implantes de poliuretana da mamona não sofreram bioabsorção durante os diferentes períodos de implantação. Alguns autores, entretanto, apontam que o tempo de degradação de um polímero absorvível nos organismos vivos pode variar de semanas a anos(24). Uma análise após períodos de implantação mais longos talvez nos ajudasse a
definir melhor o comportamento biológico desse polímero.
Após três, seis e 12 semanas os implantes de poliparadioxanona apresentaram comportamento biológico superior ao da poliuretana da mamona no que diz respeito à sua bioabsorção e à neoformação óssea na periferia dos sítios dos implantes.
CONCLUSÕES
O uso de implantes absorvíveis em cirurgias ortopédicas é realidade atual. A possibilidade de trabalhar o desenho molecular dos polímeros sintéticos determina horizonte amplo de perspectivas de utilização destes biomateriais.
O reforço da matriz polimérica é recurso utilizado para incrementar as propriedades mecânicas dos biomateriais.
A possibilidade de adicionar compostos químicos à matriz polimérica faz-nos vislumbrar o surgimento de implantes bactericidas(27) ou dotados de propriedades osteoindutoras(28,29).
Nas análises a que procedemos, os resultados obtidos in vitro e in vivo foram amplamente favoráveis à poliparadioxanona. Este fato, a nosso ver, não desqualifica a poliuretana da mamona como polímero biocompatível.
Acreditamos que a poliuretana da mamona, por se tratar de biomaterial de origem vegetal, acessível e de baixo custo em nosso país, deva ser objeto de novos estudos centrados nas suas propriedades químicas (peso molecular, temperatura de transição vítrea, viscosidade).
AGRADECIMENTOS
Ao Grupo de Química Analítica e Tecnologia de Polímeros do Instituto de Química de São Carlos-USP pelo suporte na preparação dos implantes de mamona.
À empresa Johnson & Johnson pelo suporte no fornecimento dos implantes de poliparadioxanona (Orthosorb®).
1. Rokkanen P., Böstman O., Vainionpää S., et al: Biodegradable implants in fracture fixation: early results of treatment of fractures of the ankle. Lancet 1: 1422-1424, 1985.
2. Böstman O.M.: Absorbable implants for the fixation of fractures. J Bone Joint Surg [Am] 71: 148-153, 1991.
3. Böstman O., Vainionpää S., Hirvensalo E., et al: Biodegradable internal fixation for malleolar fractures: a prospective randomized trial. J Bone Joint Surg [Br] 69: 615-619, 1987.
4. Elias N., Leal D.T.N., Santos L.A.: Fixação interna das fraturas do tornozelo com parafusos biodegradáveis. Rev Bras Ortop 32: 319-322, 1997.
5. Weiler A., Windhagen H.J., Raschke M.J., Laumeyer A., Hoffmann R.F.G.: Biodegradable interference screw fixation exhibits pull-out force and stiffness similar to titanium screws. Am J Sports Med 26: 119-128, 1998.
6. Kristensen G., Albrecht-Olsen P., Burgaard P., Jorgensen U., Torholm C.: Biofix meniscus tacks versus inside-out suturing technique in the treatment of bucket-handle lesions: a randomized study. Acta Orthop Scand 65 (Suppl 260): 17, 1994.
7. Partio E.K., Hirvensalo E., Partio E., et al: Talocrural arthrodesis with absorbable screws: 12 cases followed for 1 year. Acta Orthop Scand 63: 170-172, 1992.
8. Mäkelä E.A., Väinionpää S., Vihtonen K., et al: The effect of a penetrating biodegradable implant on the growth plate: an experimental study on growing rabbits with special reference to polydioxanone. Clin Orthop 241: 300-308, 1989.
9. Blasier R.D., Bucholz R., Cole W., Johnson L.I., Mäkelä E.A.: Bioresorbable implants: applications in orthopedic surgery. Instr Course Lect 46: 531-546, 1997.
10. Claro Neto S.: Caracterizações físico-químicas de um poliuretano derivado de óleo de mamona utilizado para implantes ósseos [Tese de Doutoramento], São Carlos, São Paulo - Brasil. Instituto de Química - USP, 1997.
11. Ohara G.H., Kojima K.E., Rossi J.C.: Estudo experimental da biocompatibilidade do polímero poliuretana da mamona implantada em coelhos. Acta Ortop Bras 3: 2, 1995.
12. Beiser I.H., Kanat I.O.: Biodegradable internal fixation. A literature review. J Am Podiatr Med Assoc 80: 72-75, 1990.
13. Brettle J.: A survey of the literature on metallic surgical implants. Injury 2: 26-39, 1970.
14. Black J.: Does corrosion matter? J Bone Joint Surg [Br] 70: 517-520, 1988.
15. Galante J.O., Lemons J., Spector M., Wilson Jr. P.D., Wright T.M.: The biologic effects of implant materials. J Orthop Res 9: 760-775, 1991.
16. Ward J.J., Thornbury D.D., Lemons J.E., Dunham W.K.: Metal-induced sarcoma: a case report and literature review. Clin Orthop 252: 299-306, 1990.
17. Tonino A.J., Davidson C.L., Klopper P.J., Linclau L.A.: Protection from stress in bone and its effects: experiments with stainless steel and plastic plates in dogs. J Bone Joint Surg [Br] 58: 107-113, 1976.
18. Müller M.E., Allgöwer M., Schneider R., Willenegger H.: Manual de Osteossíntese. São Paulo, Editora Manole, 1993.
19. Sanderson P.L., Ryan W., Turner P.G.: Complications of metalwork re- moval. Injury 23: 29-30, 1992.
20. Claes L.E.: Mechanical characterization of biodegradable implants. Clin Mater 10: 41-46, 1992.
21. Hollinger J.O., Battistone G.C.: Biodegradable bone repair materials: synthetic polymers and ceramics. Clin Orthop 207: 290-305, 1986.
22. Böstman O.M., Partio E., Hirvensalo E., Rokkanen P.: Foreign-body reactions to polyglycolide screws: observations in 24/216 malleolar frac- ture cases. Acta Orthop Scand 63: 173-176, 1992.
23. Böstman O.M.: Osteolytic changes accompanying degradation of ab- sorbable fracture fixation implants. J Bone Joint Surg [Br] 73: 679-682, 1991.
24. Barrows T.H.: Degradable implant materials: a review of synthetic ab- sorbable polymers and their applications. Clin Mater 1: 233-257, 1986.
25. Manninen M.J., Pohjonen T.: Intramedullary nailing of the cortical bone osteotomies in rabbits with self-reinforced poly-l-lactide rods manufac- tured by the fibrillation method. Biomaterials 14: 305-312, 1993.
26. Van Der Elst M., Bramer J.A.M., Klein C.P.A.T., De Lange E.S.M., Pat- ka P., Haarman H.J.T.M.: Biodegradable interlocking nails for fracture fixation. Clin Orthop 357: 192-204, 1998.
27. Wei G., Kotoura Y., Oka M., et al: A bioabsorbable delivery system for antibiotic treatment of osteomyelitis: the use of lactic acid oligomer as a carrier. J Bone Joint Surg [Br] 73: 246-252, 1991.
28. Miyamoto S., Takaoka K., Okada T., et al: Evaluation of polylactic acid homopolymers as carriers for bone morphogenetic protein. Clin Orthop 278: 274-285, 1992.
29. Tielinen L., Manninen M., Puolakkainen P., et al: Polylactide pin with transforming growth factor ß1 in delayed osteotomy fixation. Clin Or- thop 355: 312-322, 1998.
