Nuevas vías de fabricación de fosfatos de calcio a partir de dos soluciones acuosas

La hidroxiapatita (HA) es el fosfato de calcio más usado para aplicaciones biomédicas, especialmente por su mimetismo con la fase mineral del tejido óseo, sus buenas propiedades osteoconductivas y su excelente biocompatibilidad. Aunque existen diversas técnicas para sintetizar la HA, este proyecto se centra en su obtención a partir de procesos de mineralización de polímeros a partir de soluciones acuosas. Una aplicación de esta estrategia es la impresión y mineralización simultanea de andamios tridimensionales mediante la técnica de robocasting para aplicaciones en el ámbito de la Ingeniería de tejidos. En este proyecto, se precipitaron filamentos mineralizados a partir de dos soluciones separadas, una rica en iones calcio y otra rica en iones fosfato. La solución de fosfato contiene un hidrogel, la carboximetil celulosa (CMC), que proporciona una viscosidad adecuada y suficiente resistencia mecánica para mantener la forma de los precipitados. Se inyectó la solución polimérica/fosfato en las soluciones de sales de calcio para obtener precipitados mineralizados. Durante los ensayos, se variaron diferentes parámetros que tienen un efecto en la precipitación: la concentración en iones calcio y fosfato, la concentración del polímero, el solvente utilizado y la adición de un agente de nucleación. Los análisis de difracción de rayos X revelan que los precipitados obtenidos están compuestos de varias fases minerales según el medio de inyección. Se obtuvieron mayoritariamente filamentos con cristales de HA y minoritariamente filamentos con cristales de Monetita o Brushita. Las imágenes SEM confirmaron la presencia de las fases minerales pero revelan también que la precipitación no ocurre en volumen sino en la superficie de los filamentos en el caso de las concentraciones elevadas de CMC. En cambio se observó la presencia de precipitados en el volumen del filamento cuando se disminuyó la concentración de CMC, lo cual afectó dramáticamente la resistencia de éstos

Bone-compliant cements for vertebral augmentation

Acrylic bone cement based on poly(methyl methacrylate) (PMMA) is commonly used during vertebral augmentation procedures for the treatment of osteoporosis-induced vertebral compression fractures. However, the high stiffness of the cement compared to that of the surrounding trabecular bone is presumed to facilitate the formation of new fractures shortly after surgery. The aim of the thesis was to develop and evaluate a PMMA-based bone cement that better matches the mechanical properties of vertebral trabecular bone. To fulfill this objective, different compounds were added to the initial formulation of bone cement to modify its functional properties. Linoleic acid (LA) was found to give the best combination of strength and stiffness without negative effects on the handling properties and its use was therefore further investigated. In particular, different application-specific mechanical properties of LA-modified cement as well as itsin vivoperformance in an ovine model were assessed.  In summary, LA-modified cement exhibited bone-compliant mechanical properties immediately after incorporation of the additive, as well as adequate handling properties, in particular a lower polymerization temperature and appropriate setting time. The screw pullout strength from low-modulus cement was substantially reduced compared to regular PMMA cement, but comparable to some calcium phosphate based cements. The fatigue limit of LA-modified cement was considerably lower compared to regular PMMA bone cement when tested in physiological solution, but still higher than stresses measured in the spine during daily activities. The modified cement displayed similar inflammatory response in vivoto conventional cement, with no evidence of additional cytotoxicity due to the presence of LA. Finally, it was possible to sterilize the additive without significantly compromising its function in the PMMA cement. The results from this thesis support further evaluation of the material towards the intended clinical application.

Nuevas vías de fabricación de fosfatos de calcio a partir de dos soluciones acuosas

La hidroxiapatita (HA) es el fosfato de calcio más usado para aplicaciones biomédicas, especialmente por su mimetismo con la fase mineral del tejido óseo, sus buenas propiedades osteoconductivas y su excelente biocompatibilidad. Aunque existen diversas técnicas para sintetizar la HA, este proyecto se centra en su obtención a partir de procesos de mineralización de polímeros a partir de soluciones acuosas. Una aplicación de esta estrategia es la impresión y mineralización simultanea de andamios tridimensionales mediante la técnica de robocasting para aplicaciones en el ámbito de la Ingeniería de tejidos. En este proyecto, se precipitaron filamentos mineralizados a partir de dos soluciones separadas, una rica en iones calcio y otra rica en iones fosfato. La solución de fosfato contiene un hidrogel, la carboximetil celulosa (CMC), que proporciona una viscosidad adecuada y suficiente resistencia mecánica para mantener la forma de los precipitados. Se inyectó la solución polimérica/fosfato en las soluciones de sales de calcio para obtener precipitados mineralizados. Durante los ensayos, se variaron diferentes parámetros que tienen un efecto en la precipitación: la concentración en iones calcio y fosfato, la concentración del polímero, el solvente utilizado y la adición de un agente de nucleación. Los análisis de difracción de rayos X revelan que los precipitados obtenidos están compuestos de varias fases minerales según el medio de inyección. Se obtuvieron mayoritariamente filamentos con cristales de HA y minoritariamente filamentos con cristales de Monetita o Brushita. Las imágenes SEM confirmaron la presencia de las fases minerales pero revelan también que la precipitación no ocurre en volumen sino en la superficie de los filamentos en el caso de las concentraciones elevadas de CMC. En cambio se observó la presencia de precipitados en el volumen del filamento cuando se disminuyó la concentración de CMC, lo cual afectó dramáticamente la resistencia de éstos

Nuevas vías de fabricación de fosfatos de calcio a partir de dos soluciones acuosas

La hidroxiapatita (HA) es el fosfato de calcio más usado para aplicaciones biomédicas, especialmente por su mimetismo con la fase mineral del tejido óseo, sus buenas propiedades osteoconductivas y su excelente biocompatibilidad. Aunque existen diversas técnicas para sintetizar la HA, este proyecto se centra en su obtención a partir de procesos de mineralización de polímeros a partir de soluciones acuosas. Una aplicación de esta estrategia es la impresión y mineralización simultanea de andamios tridimensionales mediante la técnica de robocasting para aplicaciones en el ámbito de la Ingeniería de tejidos. En este proyecto, se precipitaron filamentos mineralizados a partir de dos soluciones separadas, una rica en iones calcio y otra rica en iones fosfato. La solución de fosfato contiene un hidrogel, la carboximetil celulosa (CMC), que proporciona una viscosidad adecuada y suficiente resistencia mecánica para mantener la forma de los precipitados. Se inyectó la solución polimérica/fosfato en las soluciones de sales de calcio para obtener precipitados mineralizados. Durante los ensayos, se variaron diferentes parámetros que tienen un efecto en la precipitación: la concentración en iones calcio y fosfato, la concentración del polímero, el solvente utilizado y la adición de un agente de nucleación. Los análisis de difracción de rayos X revelan que los precipitados obtenidos están compuestos de varias fases minerales según el medio de inyección. Se obtuvieron mayoritariamente filamentos con cristales de HA y minoritariamente filamentos con cristales de Monetita o Brushita. Las imágenes SEM confirmaron la presencia de las fases minerales pero revelan también que la precipitación no ocurre en volumen sino en la superficie de los filamentos en el caso de las concentraciones elevadas de CMC. En cambio se observó la presencia de precipitados en el volumen del filamento cuando se disminuyó la concentración de CMC, lo cual afectó dramáticamente la resistencia de éstos

Long-term mechanical properties of a novel low-modulus bone cement for the treatment of osteoporotic vertebral compression fractures

In spite of the success of vertebroplasty (VP) and balloon kyphoplasty (BKP), which are widely used for stabilizing painful vertebral compression fractures, concerns have been raised about use of poly(methyl methacrylate) (PMMA) bone cements for these procedures since the high compressive modulus of elasticity (E) of the cement is thought to be one of the causes of the higher number of adjacent-level vertebral fractures. Therefore, bone cements with E comparable to that of cancellous bone have been proposed. While the quasi-static compressive properties of these so-called ?low-modulus? cements have been widely studied, their fatigue performance remains underassessed. The purpose of the present study was to critically compare a commercial bone cement (control cement) and its low-modulus counterpart on the basis of quasi-static compressive strength (CS), E, fatigue limit under compression-compression loading, and release of methyl methacrylate (MMA). At 24 h, mean CS and E of the low-modulus material were 72% and 77% lower than those of the control cement, whereas, at 4 weeks, mean CS and E were 60% and 54% lower, respectively. The fatigue limit of the control cement was estimated to be 43?45 MPa compared to 3?5 MPa for the low-modulus cement. The low-modulus cement showed an initial burst release of MMA after 24 h followed by a plateau, similar to many other commercially available cements, whereas the control cement showed a much lower, stable release from day 1 and up to 1 week. The lowmodulus cement may be a promising alternative to currently available PMMA bone cements, with the potential for reducing the incidence of adjacent fractures following VP/BKP

Functional properties of low-modulus PMMA bone cements containing linoleic acid

Acrylic bone cements modified with linoleic acid are a promising low-modulus alternative to traditional high-modulus bone cements. However, several key properties remain unexplored, including the effect of autoclave sterilization and the potential use of low-modulus cements in other applications than vertebral augmentation. In this work, we evaluate the effect of sterilization on the structure and stability of linoleic acid, as well as in the handling properties, glass transition temperature, mechanical properties, and screw augmentation potential of low-modulus cement containing the fatty acid. Neither 1H NMR nor SFC-MS/MS analysis showed any detectable differences in autoclaved linoleic acid compared to fresh one. The peak polymerization temperature of the low-modulus cement was much lower (28–30 °C) than that of the high-modulus cement (67 °C), whereas the setting time remained comparable (20–25 min). The Tg of the low-modulus cement was lower (75–78 °C) than that of the high-stiffness cement (103 °C). It was shown that sterilization of linoleic acid by autoclaving did not significantly affect the functional properties of low-modulus PMMA bone cement, making the component suitable for sterile production. Ultimately, the low-modulus cement exhibited handling and mechanical properties that more closely match those of osteoporotic vertebral bone with a screw holding capacity of under 2000 N, making it a promising alternative for use in combination with orthopedic hardware in applications where high-stiffness augmentation materials can result in undesired effects.Authors in thesis list of papers: C. Robo, D. Wenner, M. Nilsson, J. Hilborn, C. Öhman-Mägi, C. Persson</p

The effect of unsaturated fatty acid and triglyceride oil addition on the mechanical and antibacterial properties of acrylic bone cements

Acrylic bone cements have an elastic modulus several times higher than the surrounding trabecular bone. This has been hypothesized to contribute to certain clinical complications. There are indications that the addition of specific fatty acids and triglyceride oils may reduce the elastic modulus of these types of cements. Some of these additives also appear to have inherent antibiotic properties, although this has never been evaluated in bone cements. In this study, several types of fatty acids and triglyceride oils were evaluated for use in acrylic bone cements. Their mechanical properties were evaluated under uniaxial compression testing and selected cements were then further characterized in terms of microstructure, handling and antibacterial properties using scanning electron microscopy, polymerization temperature measurements, agar diffusion tests and bactericidal activity assays of cement extracts. It was found that any of the evaluated fatty acids or triglyceride oils could be used to tailor the stiffness of acrylic bone cements, although at varying concentrations, which also depended on the type of commercial base cement used. In particular, the addition of very small amounts of linoleic acid (<2.0wt%) resulted in Young's moduli and compressive strengths in the range of human trabecular bone, while maintaining a similar setting time. Further, the addition of 12.6wt% ricinoleic acid to Osteopal V cement was found to have a significant antibacterial effect, inhibiting growth of Staphylococcus aureus in an agar diffusion test as well as demonstrating 100% bactericidal activity against the same strain.Peer ReviewedPostprint (author's final draft