Dissertação de mestrado em Engenharia BiomédicaBone is a dynamic tissue with an amazing capacity of self-repair. However, when the defect reaches a critical size bone loses this capacity and medical intervention is needed. Bone is the second most transplanted tissue in the world and there is a huge need for bone grafts and substitutes and therefore leading to a decrease in bone banks donors. Scaffolds are of great importance for tissue engineering and orthopedic implants since they provide biological anchorage for the surrounding bony tissue via the ingrowth of tissue into pores. The pores of scaffolds have direct implications on their biofunctionality. Thus, a porous structure is critical for cell nutrition, proliferation, cell migration, and formation of newly vascularized tissue. Scaffold’s mechanical properties should also match that of bone in order to prevent stress shielding which is one of the main causes for implant’s failure.
In this study, three-dimensional porous scaffolds with maximized mechanical strength capable for load-bearing applications and with elastic modulus near of the bone were produced. The porous scaffolds were made of: i) Ti6Al4V, ii) ZrO2 and iii) PEEK. Their microstructures were characterized by mean of performing SEM and Micro CT analyses. To assess the chemical composition of the scaffolds, XPS analysis was performed. The crystallographic phase of ZrO2 was investigated by XRD. Mechanical compressive tests were performed in order to evaluate the elastic modulus and compressive stress. Their efficacy as scaffold material for bone regeneration applications was evaluated in vitro by seeding SaOS-2 cells onto the scaffolds. The viability, proliferation and differentiation of SaOS-2 cells was analyzed. The cellular viability was assessed by Alamar blue test at day 1, day 3, day 7 and day 14. For the study of cell proliferation, DNA quantification was performed for the same time points. To assess the differentiation of SaOS-2 cells, alkaline phosphatase was qualitatively and quantitatively evaluated by performing the ALP quantification and staining with Fast violet B.
Mechanical results showed an elastic modulus near of the bone which can minimize the phenomenon of stress shielding. The in vitro results revealed cytocompatibility with no cell alterations or death of SaOS-2 seeded on scaffolds surfaces.
The proposed scaffolds showed great potential in vitro to be used in bone tissue engineering scaffolding applications.O osso é um tecido dinâmico com uma incrível capacidade de auto reparação. No entanto, quando o defeito ósseo ultrapassa um tamanho crítico, o osso perde essa capacidade e a intervenção médica torna-se necessária. O osso é o segundo tecido mais transplantado do mundo e existe uma grande necessidade de enxertos e substitutos ósseos, o que por sua vez levam a uma diminuição da disponibilidade de osso nos Bancos de Tecidos. As matrizes tridimensionais porosas são de grande importância para a engenharia de tecidos e implantes ortopédicos uma vez que servem de meio biológico para que tecido ósseo envolvente cresça para o interior dos poros. Uma matriz deve ser porosa por forma a possibilitar a nutrição, proliferação, e migração celular e formação de um novo tecido ósseo vascularizado As matrizes tridimensionais devem, ainda, possuir propriedades mecânicas próximas à do osso para evitar reabsorção óssea, a qual está associada à falha do implante.
Neste estudo, foram produzidas matrizes tridimensionais com resistência mecânica máxima capazes de serem usadas em aplicações ortopédicas e com o módulo de Elasticidade semelhante ao módulo de Elasticidade do osso. As matrizes tridimensionais porosas foram produzidas com três materiais diferentes: i) Ti6Al4V; ii) ZrO2 e iii) PEEK. Para a caracterização da microestrutura das matrizes tridimensionais com estrutura celular SEM e Micro CT foi realizado. Para a avaliação da fase e composição química da superfície as matrizes tridimensionais porosas foram analisados por XRD e XPS. Testes mecânicos de compressão foram realizados para avaliar o módulo Elasticidade e a força máxima de compressão. A eficácia das matrizes tridimensionais como material para aplicações de engenharia de tecidos foi avaliada in vitro, recorrendo a uma linha celular SaOS-2 que foi cultivada na superfície das diferentes matrizes porosas. A sua viabilidade, proliferação e diferenciação foi analisada até 14 dias de cultura. A viabilidade celular foi estudada recorrendo ao teste de Alamar Blue para o dia 1, dia 3, dia 7 e dia 14 de cultura celular. A proliferação e diferenciação celular foi avaliada através da quantificação do DNA e a atividade da ALP para os mesmos tempos de cultura. As matrizes tridimensionais porosas cultivadas com células SaOS-2 foram, ainda, coradas com Fast Violet B para a observação da fosfatase alcalina. Os resultados obtidos sugerem o potencial das matrizes tridimensionais para aplicações na engenharia de tecido do osso. Estas matrizes apresentam um módulo Elasticidade perto do osso que pode minimizar o fenómeno da reabsorção óssea. Os resultados in vitro revelaram a não toxicidade das matrizes assim como apresentarem uma superfície favoráveis à adesão e à proliferação das células
