Development of chondroitin sulphate-based scaffolds targeting bone regeneration applications

Abstract

Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do ParanáBone tissue is a complex biomaterial composed of proteins and minerals essential for the skeleton's structure and function. However, factors such as ageing, trauma, inflammation, and genetic disorders can compromise bone integrity. While bones possess a natural ability to heal, treating defects remains challenging. Innovative approaches are focusing on substances like chondroitin sulphate (CS), chitosan (CH), and hydroxyapatite (HAp) for their beneficial properties. In this study, HAp/CH scaffolds with different CS concentrations were developed, focusing on bone regeneration. The composition of the scaffolds followed the typical proportion of bone, with 70% HAp as the inorganic component and 30% CH as the organic component. This combination mimics the natural bone matrix and is gradually resorbed by the body, facilitating regeneration. Due to the addition of acetic acid for CH dissolution, a purification step was carried out using supercritical CO2 (scCO2) to remove it from the final material. Thermogravimetric (TG) analyses showed that scCO2 was effective in removing the acid, with extraction yields ranging from 55% to 100%, depending on the sample, confirming the scaffolds' biological viability. Density and swelling analyses were carried out to characterise the samples. The values obtained showed a density of approximately 0.05 g/cm³ and swelling capacities ranging from 2.79 to 3.24 g/g, both in line with the data available in the literature. In addition, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis was used to identify the functional groups and chemical bonds present in the material, providing a clear view of the molecular composition. Cytotoxicity tests showed that the samples were not toxic within 48 hours. Thus, the results indicated that the scaffolds incorporated with CS showed good structural stability and biological behaviour, making them suitable materials for bone regeneration. In addition, the process of obtaining CS is being studied in the project “Obtaining, characterising and evaluating the bioactive potential of chondroitin sulphate from tilapia scales”, to which this thesis contributes.O tecido ósseo é um biomaterial complexo, composto de proteínas e minerais essenciais para a estrutura e a função do esqueleto. No entanto, fatores como envelhecimento, trauma, inflamação e distúrbios genéticos podem comprometer a integridade óssea. Embora os ossos tenham uma capacidade natural de se regenerar, o tratamento de defeitos continua a ser um desafio. As abordagens inovadoras estão se concentrando na utilização de substâncias como o sulfato de condroitina (CS), quitosano (CH) e hidroxiapatite (HAp) dado as suas propriedades benéficas. Neste estudo, foram desenvolvidos scaffolds de HAp/CH com diferentes concentrações de CS visando aplicações na área da regeneração óssea. A composição dos scaffolds baseou-se na proporção típica do osso que inclui 70% de HAp (componente inorgânico) e 30% de CH (componente orgânico). Esta combinação imita a matriz óssea natural e é gradualmente reabsorvida pelo corpo, facilitando a regeneração. Dada a utilização de ácido acético para solubilizar o CH, a purificação dos materiais foi realizado usando CO2 supercrítico (scCO2). As análises termogravimétricas (TG) mostraram que o scCO2 foi eficaz na remoção do ácido, com rendimentos de extração variando de 55% a 100%, dependendo da amostra, o que aponta para a viabilidade biológica dos scaffolds. Para caracterizar as amostras, foram realizadas análises de densidade e inchamento. Os valores obtidos indicaram uma densidade de aproximadamente 0,05 g/cm³ e capacidade de inchamento que variou de 2,79 a 3,24 g/g, ambos os parâmetros de acordo com os dados disponíveis na literatura. Adicionalmente, a análise de espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) foi usada para identificar os grupos funcionais e as ligações químicas presentes no material, fornecendo uma visão clara da composição molecular. Os testes de citotoxicidade mostraram que as amostras não foram tóxicas para um período de 48 horas. Assim, os resultados indicaram que os scaffolds incorporados com CS apresentaram boa estabilidade estrutural e comportamento biológico, tornando-os materiais adequados para uso na regeneração óssea. Adicionalmente, o processo de obtenção de CS está sendo alvo de estudos no projeto “Obtenção, caracterização e avaliação do potencial bioativo do sulfato de condroitina de escamas de tilápia”, para o qual esta tese contribui