Desenvolvimento e caracterização tribológica de hidrogéis poliméricos de PVA reforçados com fosfato tricálcico para aplicação como cartilagem articular para implantes articulares

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de Materiais

A baixa capacidade de auto-regeneração da cartilagem articular, aliada ao aumento da esperança de vida nas sociedades mocom que surjam cada vez mais casos de pacientes com doenças associadas à degeneração do tecido articular. Entre os materiais com maior potencialidade para serem utilizados como substitutos de cartilagem articular destacam-se os hidrogéis de álcool polivinílico (PVA), pois estes caracterizam-se por possuir propriedades muito semelhantes às da cartilagem articular natural, tais como alta capacidade de absorção de água, baixo atrito e desgaste, bem como biocompatibilidade. Neste trabalho procurou-se estudar a influência da incorporação de partículas de fosfato tricálcico (TCP) nas propriedades mecânicas, capacidade de absorção de água e propriedades tribológicas dos hidrogéis de PVA. Os hidrogéis em estudo foram caracterizados tribologicamente através de ensaios de atrito e desgaste na geometria pino-placa com movimento linear alternativo da placa. O deslizamento ocorreu na presença de uma solução salina tamponada de fosfato (phosphate bovine serum, PBS) a uma temperatura de 37°C, considerando pares cruzados hidrogel/aço inoxidável 316L e hidrogel/cartilagem articular bovina (CAB). A pressão de contacto assumiu os valores de 2,0 MPa, 3,5 MPa e 5,0 MPa e a frequência de oscilação foi de 1 Hz e 2 Hz. Os mecanismos de desgaste das superfícies dos hidrogéis ensaiados foram caracterizados através de microscopia eletrónica de varrimento com espectroscopia de energia dispersiva (SEM/EDS), onde também foi possível fazer uma análise química das superfícies de contacto. As partículas de pó de TCP foram caracterizadas quimicamente por EDS e por difração de raios X (XRD). No caso dos contactos hidrogel/aço inoxidável 316L o coeficiente de atrito em regime estacionário assumiu valores entre 0,02 e 0,12 para hidrogéis de PVA puro (PVAP) e valores entre 0,08 e 0,20 para hidrogéis de PVA reforçados com partículas de TCP (PVATCP), revelando-se demasiado elevado para a aplicação biotribológica em vista. Além disso, as superfícies de desgaste no hidrogel caracterizaram-se por um elevado grau de deformação plástica. Por outro lado, para o contacto entre os diferentes hidrogéis (PVAP e PVATCP) e a CAB os valores do coeficiente de atrito foram bastante baixos, assumindo valores entre 0,03 e 0,05 para os hidrogéis de PVAP e valores entre 0,03 e 0,07 para hidrogéis de PVATCP, sendo que ambas as superfícies envolvidas no contacto (hidrogel e CAB) permaneceram preservadas. Estes resultados demonstraram que os hidrogéis de PVA têm potencialidade para serem utilizados como substitutos de cartilagem articular quando em deslizamento contra cartilagem articular natural e que a adição de partículas de TCP não afeta o seu comportamento tribológico.

The articular cartilage’s low ability to regenerate itself combined with the increased life expectancy in modern societies result in a rise in the number of patients with degeneration of articular tissue-related illnesses. Among the materials which have great potential to be used as articular cartilage’s substitutes, polyvinyl alcohol hydrogels (PVA) stand out because they possess properties very similar to those of natural articular cartilage, such as a high water absorption capacity, low friction, low wear and biocompatibility. This work aims to study the influence of the incorporation of tricalcium phosphate particles (TCP) in the mechanical properties, water absorption ability and tribological properties of the PVA hydrogels. The hydrogels subject of study have been analysed in terms of their tribological response through friction and wear tests in the pin-on-plate geometry using a reciprocating motion of the plate. The sliding occurred in the presence of a phosphate saline solution (phosphate bovine serum, PBS), at a temperature of 37°C, considering dissimilar pairs of hydrogel/316L stainless steel and hydrogel/bovine articular cartilage (CAB). The contact pressure’s values were 2.0 MPa, 3.5 MPa and 5.0 MPa and the oscillation frequency’s values were 1 Hz and 2 Hz. The wear mechanisms of the tested hydrogels’ surfaces were analysed using Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive Spectroscopy (SEM/EDS). Likewise, a chemical analysis of the contact surfaces was also conducted. The TCP powder particles were chemically analysed using EDS and X-ray diffraction (XRD). In the case of hydrogel/316L stainless steel contacts, the steady-state friction coefficient presented values between 0.02 and 0.12 for hydrogels of pure PVA (PVAP) and values between 0.08 and 0.20 for PVA hydrogels reinforced with TCP particles (PVATCP), proving to be too high for the intended biotribological application. Moreover, the hydrogel wear surfaces presented a high level of plastic deformation. On the other hand, for the contact between the different hydrogels (PVAP and PVATCP) and the articular cartilage, the friction coefficient values were significantly lower, presenting values between 0.03 and 0.05 for the case of PVAP hydrogels and values between 0.03 and 0.07 for PVAPTCP hydrogels, whereas both surfaces involved in the contact (hydrogel and articular cartilage) remained preserved. These results proved that the PVA hydrogels have the potential to be used as an articular cartilage substitute in sliding against natural articular cartilage and that the addition of TCP particles does not affect its tribological behaviour.