Polymers scaffolds with addition of ceramics for use in bone reconstruction

Orientadores: Antonio Celso Fonseca de Arruda, Cecília Amélia de Carvalho ZavagliaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: A engenharia tecidual, que tem como objetivo a reconstrução de tecidos de animais, enfrenta um desafio: a construção de suportes. Uma das propriedades relevantes desse eventual material é a sua taxa de absorção, que deve ser inversamente proporcional à taxa de crescimento tecidual. Nesse sentido, a poli ( -caprolactona) (PCL), que é um polímero biocompatível e bioreabsorvível, mostra-se ser um material promissor para reconstruções ósseas, já que possui uma taxa de reabsorção lenta. Esse polímero, por não ser capaz de atrair células osteoblásticas, deve ter a adição de cerâmicas bioativas com o propósito de fortalecer a estrutura do suporte. Adicionalmente, deve atuar como um condutor para a proliferação de células ósseas. O objetivo deste trabalho foi desenvolver suportes tridimensionais de poli ( -caprolactona) com fibras ou whiskers de hidroxiapatita. A estrutura deve ser porosa de modo a permitir a vascularização dessa área e consequentemente a osteocondução. Foram sintetizados reagentes primários tais como monetita e carbonato de cálcio, para a sinterização de fosfato tricálcico ( -TCP), que ao ser hidrolisado resultou em whiskers de hidroxiapatita. As fibras de hidroxiapatita foram obtidas pelo método de molten salt utilizando a hidroxiapatita precipitada. As cerâmicas foram caracterizadas por análises de difração de raios X (DRX), fluorescência de raios X (FRX) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os suportes passaram por testes mecânicos de compressão e testes in vitro, além de MEV e DRX. Os resultados indicaram que os suportes poliméricos com adição de whiskers de hidroxiapatita apresentaram-se mais resistentes à compressão. A presença de whiskers, diferentemente das fibras, caracterizou-se como reforço na matriz polimérica. Os resultados do teste de imersão em fluído corpóreo mostraram que os suportes com whiskers de hidroxiapatita, diferentemente das fibras, resultaram em deposição de apatita em suas superfíciesAbstract: Tissue engineering, which aim is the reconstruction of animal tissues, faces a challenge: the building supports. One of the relevant properties of any material is its rate of absorption, which should be inversely proportional to the rate of tissue growth. Accordingly, to the poly ( -caprolactone) (PCL), which is a biocompatible polymer and bioresorbable shows to be a promising material for bone reconstruction since it has a slow rate of resorption. This polymer, for not being able to attract osteoblastic cells, should have the addition of bioactive ceramics in order to strengthen the supporting structure. Additionally, it should acts as an inducer for the proliferation of bone cells. The objective of this study was to develop three-dimensional scaffolds of poly ( -caprolactone) with fibers and whiskers of hydroxyapatite. The structure should be porous to allow vascularization of this area and consequently the osteoinduction. Were synthesized reagents such as monetita and calcium carbonate, for sintering of tricalcium phosphate ( -TCP), which when hydrolyzed results in hydroxyapatite whiskers. The fibers of hydroxyapatite were obtained by the method molten salt using precipitated hydroxyapatite. The ceramics were characterized by analysis of X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF) and scanning electron microscopy (SEM). The scaffolds were tested by mechanical compression and in vitro tests, in addition to SEM and XRD. The results indicated that the scaffolds with the addition of hydroxyapatite whiskers were more resistant to compression. The presence of whiskers, unlike fiber, characterized as reinforcement in polymer matrix. The test results of immersion in body fluid showed that the scaffolds with hydroxyapatite whiskers, unlike fiber, aimed to the deposition of apatite on their surfacesMestradoMateriais e Processos de FabricaçãoMestre em Engenharia Mecânic

Development of three-dimensional matri composite of poly ('épsilon'-caprolactone) and bioative ceramic for use in tissue enginnering

Orientadores: Cecília Amélia de Carvalho Zavaglia, Antonio Celso Fonseca de ArrudaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: A variedade de sítios anatômicos e diferentes propriedades mecânicas são essenciais para o êxito em cirurgias de reconstrução óssea, com isso tratamentos envolvendo fraturas complexas, perda óssea e próteses são beneficiadas com o uso dos biomateriais. Com o presente estudo, buscou-se uma proposta original no uso de um biomaterial compósito para implantes na região da mandíbula, a singularidade deste dispositivo é a estrutura física do material, que é composto por um núcleo denso em uma matriz porosa. As influências das estruturas e dos materiais utilizados foram analisadas por caracterizações físicas, químicas e as atividades celulares em ensaios in vitro, analisando o comportamento dessas em condições similares ao ambiente de implantação o que permitiu qualificar este biomaterial. Para tanto, foram sintetizados reagentes primários para a síntese de fosfato tricálcico (?-TCP), que ao ser hidrolisado resultou em whiskers de hidroxiapatita. As cerâmicas foram caracterizadas pelas análises de difração de raios X (DRX), fluorescência de raios X (FRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e ensaio de citotoxicidade. As diversas composições poliméricas e compósitas foram analisadas utilizando os resultados obtidos pelos ensaios de ângulo de contato, calorimetria exploratória diferencial (DSC), microscópio de força atômica (MFA), microscopia óptica com luz polarizada (MO), ensaio mecânico de tração e ensaios in vitro com células U20S. Os suportes tridimensionais passaram por análises como de: ensaio mecânico de compressão e ensaios in vitro com células tronco mesenquimais. Os estudos foram realizados para a verificação do potencial de aplicação clínica desse material na engenharia tecidual óssea. As amostras que se apresentaram mais promissoras foram as de composições poli (?-caprolactona) / ácido oléico/ hidroxiapatita e poli caprolactona/ ácido oléico. Resistência mecânica, hidrofilicidade, rugosidade, cristalinidade, espraiamento celular e osteoindução foram os critérios utilizados neste trabalho. Os resultados obtidos demostraram-se promissores e irão incentivar pesquisas futuras envolvendo estes materiaisAbstract: The variety of anatomical sites and different mechanical properties are essential to the success of surgery bone reconstruction. Treatments involving this complex fractures, bone loss and prosthetics are benefited with the use of biomaterials. In the present study, we sought to an original use of a composite biomaterial for implants in the jaw area; the uniqueness of this device is the physical structure of the material, which is composed of a dense core in a porous matrix. The influences of structures and materials were analyzed by characterizing the physical, chemical and cellular activities in in vitro assays, analyzing the behavior of those in similar conditions to the deployment environment which would allow qualifying this biomaterial. Therefore, primers were synthesized reagents for the synthesis of tricalcium phosphate (?-TCP), which when hydrolyzed resulted in hydroxyapatite whiskers. The ceramics were characterized by analysis of X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF), scanning electron microscopy (SEM) and cytotoxicity assay. The various compositions were analyzed using the results obtained by contact angle tests, differential scanning calorimetry (DSC), atomic force microscope (AFM); optical microscopy with polarized light (OM), mechanical tests and in vitro assays with cells U20S. The scaffolds have undergone analyzes as: mechanical compression test and in vitro assays with mesenchymal stem cells. Studies were conducted to verify the potential clinical application of this material in bone tissue engineering. Because the analysis of the results of the characterizations, the samples which were the most promising compositions of poly (?-caprolactone) / oleic acid and poly(?- caprolactone)/ oleic acid/ hydroxyapatite. Mechanical strength, hydrophilicity, roughness, crystallinity, cell spreading and osteoinduction were the criteria used in this work. The results showed to be promising and will encourage future research involving these materialsDoutoradoMateriais e Processos de FabricaçãoDoutora em Engenharia Mecânic