Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/28867

TitleBioactive membranes for bone regeneration
Author(s)Caridade, S. G.
Advisor(s)Mano, J. F.
Issue date19-Dec-2013
Abstract(s)In the orthopedics field, one of the major hurdles that surgeons face on daily basis is the need for bone replacing materials to restore defects that lose capability for self repair. To date, autograft materials remain as the “gold standard” for bone repair; however donor-site morbidity and limitations on the amount of tissue that can be collected have led scientists to search for new materials capable to induce bone repair. The main objective of this thesis was the conception of membranes that comprise pivotal characteristics and properties to impart bone repair. The first part of this thesis addressed the production of membranes that have the capacity of osteointegration, i.e., that possess an adequate bone-bond ability. We hypothesized that, in some situations, the two sides of the membranes are in contact with distinct biological environments in which one side faces a region in which osteointegration should be ideally promoted. For the proof of concept, the first work describes the development and characterization of poly(D,L-lactic acid)/Bioglass® (PDLLA/BG) composite membranes with asymmetric bioactivity. Such asymmetry was obtained by an adjusted solvent casting method that promoted a nonuniform distribution of the inorganic component along the membrane thickness. The membranes presented a good integration between the polymeric and inorganic fractions. Moreover, only the inorganic-rich face promoted the deposition of bone-like apatite. Additionally, the composite membranes were found to be stiffer compared with the pure polymer. The results indicate that the proposed asymmetric PDLLA/BG membranes could have potential to be used in guided bone regeneration therapies. This work was validated by the use of synthetic PDLLA polymer, a material widely used in bone repair but biologically inert. The subsequent studies of this thesis make use of natural polymers once they are biologically active possessing similarities with the bone extracellular matrix. In this context, the bone-bonding ability was also demonstrated by the preparation of chitosan/Bioglass® (CHI/BG) composite membranes where their potential to induce a bone-like layer was demonstrated upon immersion in simulated body fluids (SBF). Although in literature the bioactivity (capacity to form a bonelike apatite layer under physiological-like conditions) of such chitosan-based systems has been reported, such studies never demonstrate what happens with the mechanical properties of the material during this process. For that, dynamic mechanical analysis (DMA) experiments were performed in real time while the samples were immersed in simulated body fluid at 37ºC, being subjected to different tension loads. It was possible to follow the formation of a bone-like apatite using microscopic and spectroscopic techniques, and, simultaneously, the variations of the mechanical/viscoelastic properties were also evaluated. Moreover, as in in-vivo conditions bone tissues are subjected to mechanical stimuli with distinct intensities, we demonstrated that the membranes can present different calcification kinetics by varying the dynamic strain amplitude. With the same reasoning, we also developed CHI/BG composite membranes with nano-sized BG particles (CHI/nBG). The results demonstrated that CHI/nBG membranes possess enhanced mechanical properties and higher bioactivity in comparison with the CHI/BG membranes that contained micron-sized BG particles. Although bone-bonding ability is an important characteristic, it is not the only requirement for inducing bone healing upon implanting a device for such purposes. The second part of this thesis focused on the preparation of membranes that hold osteoconductive and osteoinductive properties. To achieve this goal, we transpose the Layer-by-Layer (LbL) technology for the production of nanostructured bioactive free-standing (FS) polymeric membranes that could be directly used to cover bone defects and actively assist bone healing. To this end, an adequate protocol was used to detach the multilayer films from lowsurface energy substrates in mild conditions. The FS membranes, prepared using chitosan and alginate, were crosslinked at various extents and their biocompatibility was validated. Additionally, in order to enhance osteoinductive properties of the membranes, bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) – an osteogenic growth factor already approved to be used in the clinic - was loaded in the membranes. The BMP-2 incorporation was proven successful, once improved osteogenesis was detected in cells when cultured in presence of membranes leaded with the growth factor. Taken altogether, distinct methods and strategies to tailor membranes with topographical, chemical and biological signals were obtained in this thesis. The developed systems present valuable properties for the enhancement of bone healing and have characteristics that make them suitable to be potentially used in the clinics.
No campo ortopédico, um dos principais obstáculos que os cirurgiões enfrentam diariamente é a necessidade de materiais de substituição óssea para restaurar defeitos que perdem a capacidade de auto-reparação. Até à data, enxertos autólogos são os materiais de referência para a reparação óssea. No entanto problemas relacionados com a morbilidade da zona dadora, limitações na quantidade de tecido que pode ser recolhido levaram cientistas em busca de novos materiais capazes de induzir a regeneração óssea. O principal objectivo desta tese foi a produção de membranas que possuem características e propriedades fundamentais que permitam acelerar a regeneração óssea. Na primeira parte desta tese foram desenvolvidas membranas com capacidade de osteointegração, ou seja, membranas com capacidade de promover a ligação com o osso. Uma das hipóteses colocada foi de que, em alguns casos, os dois lados da membrana estão em contacto com ambientes biológicos distintos em que um lado enfrenta uma região em que a osteointegração deve ser idealmente promovida, devendo por isso apresentar propriedades assimétricas. Para a prova de conceito, o primeiro trabalho descreve o desenvolvimento e a caracterização de membranas compósitas com bioactividade assimétrica à base de ácido poliláctico com partículas de biovidro (PDLLA/BG). Esta assimetria foi conseguida através de um método optimizado de evaporação de solvente que levou a uma distribuição não -uniforme do componente inorgânico ao longo da espessura da membrana. Os testes efectuados demontraram que as membranas apresentam uma boa integração entre as fracções polimérica e inorgânica. Além disso, apenas o lado mais rico em material inorgânico promoveu uma camada de apatite, o principal componente mineral presente no osso. As membranas compósitas desenvolvidas demonstraram serem mais rígidas quando comparadas com membranas de polímero puro. Os resultados indicam que as membranas assimétricas de PDLLA/BG propostas têm efectivamente potencial para serem utilizados em terapias de regeneração óssea guiada. Este trabalho foi validado pela utilização de PDLLA que é um polímero sintético e é largamente utilizado na reparação do osso, mas biologicamente inerte. Os estudos subsequentes desta tese fazem uso de polímeros naturais, uma vez que são estes podem ser biologicamente activos e possuem semelhanças com a matriz extracelular do osso. Neste contexto, a capacidade de ligação membrana-osso foi igualmente demonstrada através da preparação de membranas de compósito quitosano/biovidro (CHI/BG). Neste estudo, o potencial para induzir uma camada semelhante ao osso foi demonstrada após imersão numa solução que simula o plasma sanguíneo (SBF). Embora na literatura já tenha sido reportada a bioactividade de materais à base de quitosano, tais estudos não demonstram o que acontece com as propriedades mecânicas do material durante este processo. Para isso, ensaios dinâmico-mecânicos foram realizados em tempo real, com as amostras imersas em SBF a 37°C. Através desta análise foi possível seguir simultaneamente a formação de apatite e as variações das propriedades mecânicas e viscoelásticas das membranas. Esta análise também foi complementada através de técnicas microscópicas e espectroscópicas. Além disso, in-vivo, os tecidos ósseos são submetidos a estímulos mecânicos com diferentes intensidades. Para simular estes eventos as membranas foram submetidas a diferentes cargas de tensão e, foi demonstrado que mediante o estímulo aplicado os materiais apresentam diferentes cinéticas de calcificação. Seguindo o mesmo raciocínio, também se desenvolveram membranas compósitas com nanopartículas de biovidro. Os resultados demonstraram que estas membranas possuem propriedades mecânicas melhoradas e maior bioactividade em comparação com as outras que continham micropartículas de BG. Embora a capacidade de integração com o osso seja uma característica importante, este não é o único requisito para induzir a regeneração óssea. Assim, a segunda parte desta tese centrou-se na preparação de membranas que possuem propriedades de osteocondução e osteoindução. Para atingir este fim, a tecnologia Layer-by-Layer (LbL) foi utilizada para a produção de membranas poliméricas bioactivas nanoestruturadas - free-standing (FS). Estas podem ser usadas diretamente para cobrir defeitos ósseos e ajudar activamente na consolidação óssea. Um protocolo adequado foi usado para destacar as membranas dos seus de substratos por forma a não danificar as mesmas. As membranas FS, preparadas à base de alginato e quitosano foram reticuladas e sua biocompatibilidade foi validada. Neste estudo, a fim de melhorar as propriedades osteoindutoras das membranas, a proteína morfogenética óssea 2 (BMP-2)- um factor de crescimento osteogénico já aprovado para ser utilizado na prática clínica foi impregnado nas membranas. A BMP-2 foi incorporada com sucesso nas membranas uma vez que foi detectada osteogénese nas células quando cultivadas na presença destas membranas. No âmbito desta tese, foram desenvolvidos distintos métodos e estratégias para produzir membranas com propriedades topográficas, químicas e biológicas adequadas para regeneração óssea. Os sistemas desenvolvidos apresentam propriedades valiosas para a melhoria desta e têm características que os tornam adequados para serem potencialmente utilizados na prática clínica.
TypeDoctoral thesis
DescriptionTese de doutoramento em Engenharia de Materiais
URIhttp://hdl.handle.net/1822/28867
AccessRestricted access (UMinho)
Appears in Collections:BUM - Teses de Doutoramento

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