New biomimetic acellular routes for pre-calcification of implant materials, carrier particles and porous scaffolds

Abstract

In the Nature, organisms that undergo biomineralization processes control apatite crystal nucleation and growth, using organic interfaces as templates. Chemists, biologists and materials engineers began to look for new ideas by learning with the nature, and this will certainly continue to play a key role in the improvement of materials design inspired by biological materials. Understanding the inherent complexity of the molecular systems controlling the biological synthesis, is a major challenge to materials scientists who want to copy the structure, properties, and performance relations of well-designed structures such as bone and shells. For this purpose, it is necessary to build a bridge of knowledge between what we learn from nature to the research laboratory. Designing of new surface functionalization as well as biomimetics systems that can be used as templates for the regeneration and replacement of bone requires a fundamental understanding of the mechanisms involved in the biomineralization such as how the interface controls the deposition of inorganic minerals. This thesis focuses in using biomineralization strategies to develop new methodologies for designing new materials, either by surface functionalization, incorporating groups that induce the formation of apatite or calcium phosphate coatings, or using biomimetic approaches to induce the formation of coatings that act as vehicles for the delivery of critical organic components of bone that affect tissue response, i.e., growth factors which induce osteoinduction. Therefore, the main objectives proposed for this thesis were: i – Development of bioactive polyethylene surfaces in situ by functionalization, i.e., by the incorporation of new functional groups that can efficiently induce the formation of an apatite layer onto the surface of polymeric biomaterials that are not intrinsically bioactive. In this case, the sulfonic (- SO3H) group was chosen, since in terms of acidity, this group is worthy of research as nucleating agent of apatite. ii – Study of the potential surface change of polyethylene after a sulfonation treatment and subsequent soaking in a calcium hydroxide (Ca(OH)2) saturated solution by electrophoresis as a function of immersion time in a simulated body fluid (SBF). This study was performed in order to clarify the mechanism of apatite formation on the polymeric surface, induced by this functional group, which showed to be significantly dependent on the Ca(OH)2 treatment. iii – Development of bioactive starch-based polymers, through surface functionalization via wet chemistry modification, which result in etching and/or hydrolysis, in order to increase the amount of polar groups such as hydroxyl (-OH) and carboxylic (-COOH) groups. The starch based blend selected - a blend of starch with ethylene vinyl alcohol (designated as SEVA-C) - is a quite hydrophilic material and, therefore, it was though to be a suitable model for apatite nucleation, as the biological mineralization process is believed to be induced by anionic functional groups. So, the presence of reactive -OH groups on starch and vinyl alcohol justifies the present efforts in trying to incorporate other polar groups, such as –COOH, to obtain bioactive polymers. iv – Study of the incorporation of silanol (Si-OH) groups, effective in inducing apatite nucleation, onto polymeric microspheres and chitosan microparticles by soaking in a calcium silicate solution, in order to obtain bioactive microspheres for bone repair that are able to release an antibiotic in situ for treatment and prevention of bone infection and bioactive microparticles and, in addition can be used as injectable biomaterial systems. v – Development of smart carrier systems for bone drug delivery applications, which should be composed of a bioactive matrix, associating the osteoconductivity of the material and the effect of the released therapeutic molecule (that can induce a specific action). For this purpose, it was studied the effect of the incorporation of proteins and active enzymes on biomimetic calcium phosphate coatings on the surface of starch-based polymers, to be used as carriers for the controlled release of bioactive proteins and to control the degradation rate of starch-based biomaterials. With such a smart carrier system, it is expected to control the local delivery of factors to aid in bone regeneration and, at same time, the delivering of osteoinductive proteins able to induce local bone growth around the implant. The work developed in this thesis emphasized the importance to understanding the surface chemistry of biomaterials, as well as the main mechanism of the bioactive materials that are responsible for induction of apatite formation on their surfaces, which provide us very important tools to design new bioactive materials. Furthermore, it was found that bioactivity can be induced on the surfaces that are not bioactive by themselves, either by the formation of functional groups or by forming thin ceramic phases that have the potential to form functional groups when exposed to the human body environment. Therefore, it was concluded that the key point to control the mechanisms of the heterogeneous nucleation, lies in the design of organized functionalized surfaces. Moreover, surfaces with an organized arrangement of functional groups, can act as templates for the biomimetic growth through interfacial molecular recognition. In other words, using a biomimetic approach it is possible to design strategies for developing Ca-P coatings that may promote bone formation, because of the dual effect produced by one side, by its osteoconductive properties and by the other side, by delivering bioactive molecules that play essential roles in osteogenesis, directly to the tissue-implant interface.

Na Natureza, os organismos controlam a nucleação e crescimento de cristais de apatite, utilizando as interfaces orgânicas como suportes. Químicos, biólogos e engenheiros de materiais têm procurado novas ideias aprendendo com a natureza, que certamente continuará a desempenhar um papel fundamental no desenvolvimento de novos materiais inspirado nos materiais biológicos. Compreender a complexidade inerente aos sistemas moleculares que controlam a síntese biológica, constitui um grande desafio para os cientistas de materiais, que desejam copiar as relações entre a estrutura, propriedades e desempenho (funcionalidade) de estruturas tão complexas como o osso e as conchas. Para atingir este ambicioso objectivo, é necessário estabelecer pontes de conhecimento entre o que se aprende com a natureza e o que é possível estudar e/ou desenvolver num laboratório de investigação. Desenvolver novos métodos para a funcionalização de superfícies bem como novos sistemas biomiméticos que possam ser usados como suportes para a regeneração e substituição de tecido ósseo, requer um conhecimento aprofundado dos mecanismos envolvidos na biomineralização, tais como, o modo como a interface controla a deposição de minerais inorgânicos. Os estudos descritos nesta tese centram-se na utilização de estratégias de biomineralização que conduzam ao desenvolvimento de novos materiais, seja através da incorporação de grupos funcionais na superfície, ou usando abordagens biomiméticas para induzir a formação de camadas de apatite ou outros fosfatos de cálcio, que actuem como veículos para o transporte de componentes orgânicos do osso que afectam a resposta tecidular, isto é, factores de crescimento que promovem a osteoindução. Sendo assim, os principais objectivos propostos neste trabalho de Doutoramento foram os seguintes: i – Desenvolvimento de superfícies bioactivas através da incorporação in situ de grupos funcionais, capazes de induzir a formação de uma camada de apatite na superfície de polímeros que não são intrinsecamente bioactivos (nomeadamente o polietileno). Especificamente, foi seleccionado o grupo sulfonico (-SO3H) devido à sua acidez, pois esta propriedade tem um potencial de influenciar na nucleação de apatite. ii – Estudo da variação do potencial superficial, utilizando a electroforese, após a incorporação de - SO3H e posterior imersão numa solução de hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) saturada, em função do tempo de imersão numa solução fisiológica simulada (simulated body fluid – SBF). Com este estudo, pretendeu-se clarificar o mecanismo de formação da apatite numa superfície polimérica, induzida por este grupo funcional, o qual se revelou ser muito dependente do tratamento com a solução de hidróxido de cálcio. iii – Desenvolvimento de polímeros à base de amido de milho bioactivos, através da incorporação de grupos funcionais na superfície, através de métodos de modificação química, de forma a aumentar a quantidade de grupos polares tais como o grupo hidroxilo (-OH) and carboxilico (-COOH). O polímero à base de amido de milho que foi seleccionado para estes estudos – uma mistura polimérica de amido de com álcool etileno vinilíco (designado por SEVA-C) – é um material hidrófilico e, por essa razão, constitui á partida um modelo adequado para a nucleação da apatite, uma vez que, a mineralização biológica é supostamente induzida pela presença de grupos funcionais aniónicos. Deste modo, a presença de grupos reactivos –OH no SEVA-C, justifica os estudos que foram feitos no sentido de tentar incorporar outros grupos polares, tais como o –COOH, de forma a obter um polímero bioactivo. iv – Estudo da incorporação de grupos silanol (Si-OH), os quais induzem a formação da apatite, em microesferas poliméricas e partículas de quitosano, através da imersão numa solução de silicato de cálcio, de modo a obter microesferas bioactivas que possam ser aplicadas na regeneração do osso, com a vantagem de constituírem um sistema injectável, constituído por partículas que podem servir como veículo para a libertação in situ de um gente bioactivo e/ou um antibiótico (por exemplo) que ajude no tratamento e prevenção de infecções do tecidos. v – Desenvolvimento de um sistema de libertação controlada “inteligente”, composto por uma matriz bioactiva, que associe a osteocondutividade do material á capacidade de libertação controlada de moléculas terapêuticas in situ para induzir uma resposta especifica. Para este fim, estudou-se o efeito da incorporação de proteínas e enzimas em camadas de fosfato de cálcio depositadas na superfície de sistemas de libertação constituídos por partículas de polímeros à base de amido, incluindo o efeito na velocidade de degradação do material. Espera-se que com um sistema deste tipo, seja possível controlar a velocidade de degradação do biomaterial e, simultaneamente, fazer a libertação controlada de proteínas osteoconductivas, capazes de induzir a formação de tecido ósseo novo à volta do material implantado. Os resultados obtidos do trabalho desenvolvido e descrito nesta tese, salientam a importância de compreender a química de superfícies de biomateriais, bem como os mecanismos responsáveis pela formação de uma camada de apatite na superfícies de materiais bioactivos, como instrumentos para o desenvolvimento de novos materiais bioactivos. Além disso, os resultados obtidos permitiram concluir que é possível induzir a bioactividade em materiais que não são intrinsecamente bioactivos, através da incorporação de grupos funcionais ou através da formação de finas camadas de uma fase cerâmica que possuem a capacidade de formar esses grupos funcionais quando expostas ao ambiente proporcionado pelo corpo humano. Em suma, concluiu-se que, um dos parâmetros fundamentais que permitem controlar o mecanismo da nucleação heterogénea, baseia-se no desenvolvimento de superfícies com grupos funcionais. Nesta tese, foi possível demonstrar, recorrendo a abordagens biomiméticas, que é possível desenvolver camadas de fosfatos de cálcio que promovem a formação de tecido ósseo, devido ao efeito combinado resultante das suas propriedades osteocondutivas e capacidade de libertação de moléculas bioactivas directamente na interface tecido-implante. Além disto, para se desenvolverem materiais que vão ser usados como substitutos ósseos, é essencial perceber a estrutura e propriedades do tecido original que se pretende substituir. Os biomateriais para aplicações relacionadas com o osso devem possuir estruturas complexas, nas quais possam estar presentes elementos pertencentes a diferentes escalas de tamanho, organizados hierarquicamente. Isto é, devem mimetizar o tecido vivo em termos de propriedades mecânicas, químicas, biológicas e em termos de funcionalidade.