Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/7776

TitleNovel biodegradable polymeric and composite structures to be used as biomedical implants and tissue engineering scaffolds
Author(s)Ghosh, Satyabrata
Advisor(s)Mano, J. F.
Reis, R. L.
Viana, J. C.
Issue date11-Apr-2008
Abstract(s)Understanding the structure-property relationship is essential for the further development and rational design of new materials. Generally, the properties of materials depend on their processing history, where the processing variables manipulate the microstructure, and hence control the mechanical properties. For biomedical applications, the mismatch between the mechanical properties of a device made out of biodegradable polymer and the tissue intended to be regenerated may compromise the clinical success of the tissue engineering construct. The processing – structure –property relationships were established with poly(L-lactic acid) / PLLA and starch based materials using conventional injection molding. Moreover, the toughness of PLLA was augmented with the induction of a non-conventional melt based processing technique. Porous three-dimensional scaffolds combined with donor cells and growth factors have been employed to conduct and accelerate tissue regeneration. To understand the effect of porous morphology on mechanical properties of porous scaffolds, a comprehensive study was carried out to establish the structure – viscoelastic properties relationships of porous constructs in relevant physiologically conditions. Miscible polymer blends offer a route to tailor properties that may be desirable from both the constituent polymers. Here, we used polymer blends to develop porous structures by dissolving one of the constituent polymers. PLLA and poly(ethylene oxide) / PEO blend is miscible in the molten state and phase separates in the solid state, and PLLA is a hydrophobic polymer, whereas PEO is water soluble polymer. The internal surface of a three-dimensional construct can be easily textured using such kind of hydrophobic- hydrophilic miscible polymer blend, which is otherwise a complicated task. Moreover, the interconnectivity, an important requirement of the porous 3D constructs could be enhanced with the increased fraction of PEO. With 50 / 50 % PLLA and PEO composition, the blend is biphasic containing a homogeneous PLLA/PEO phase and a PEO-rich phase. Such partially miscible polymer blend has a very broad interface and offers an advantage to process at the high shear rates of convention thermoplastic processing techniques. We have demonstrated that alternate layers of two phases of a partially miscible polymer blend can be structured using conventional injection molding technique, followed by swelling and leaching of water soluble PEO creates the continuous porous lamellar scaffolds. An integrated, porous bi-layered scaffold was developed for osteochondral tissue engineering where the layer for the bone region was made out of PLLA and hydroxyapatite, and the cartilage-layer was composed of a PLLA and starch blend with controllable pore size and porosities. Bioactivity tests demonstrated that the bone-layer could induce the formation of a calcium-phosphate layer in-vitro, whereas the cartilage-layer does not exhibit the ability for calcification. A number of factors like the material, surface chemistry, polymer/bioactive ceramics compositions play decisive roles in the precipitation of calcium phosphate from simulated body fluid (SBF). The surface of a porous three-dimensional PLLA / bioactive glass composite scaffolds can alter the composition and morphology of inorganic phase, thus offering a very powerful tool for the design of novel materials. The textured surface of PLLA / bioactive glass was able to preferentially induce the nucleation and growth of octacalcium phosphate as compared with smooth surfaces that precipitate the typical apatite upon immersion in SBF.
O entendimento das relações entre estrutura e propriedades é essencial para o desenvolvimento racional de novos materiais. Em geral, as propriedades dos materiais dependem de todo o percurso de processamento, uma vez que os parâmetros de processamento controlam a micro-estrutura e, consequentemente, as propriedades mecânicas. No caso das aplicações biomédicas, diferenças entre as propriedades de uma peça feita com polímeros biodegradáveis e aquelas do tecido a ser regenerado pode comprometer o sucesso clínico dos produtos para engenharia de tecidos. Neste trabalho, as relações processamento – estrutura – propriedades para poli(ácido L-láctico) (PLLA) e materiais baseados em amido foram estabelecidas a partir de peças obtidas por moldação por injecção convencional. Adicionalmente, a tenacidade do PLLA foi melhorada com a utilização de técnicas de processamento não convencionais. A combinação de suportes porosos tridimensionais com células e factores de crescimento tem sido utilizada para acelerar a regeneração de tecidos. Nesta tese foram efectuados estudos das correlações entre a estrutura e as propriedades viscoelásticas de suportes porosos em condições fisiológicas simuladas para entender o efeito da morfologia dos poros nas propriedades mecânicas desses suportes. Um método comummente utilizado para ajustar as propriedades dos polímeros é a preparação de misturas poliméricas miscíveis. Neste trabalho, utilizamos misturas poliméricas e a posterior dissolução de um dos constituintes para preparar estruturas porosas. A misturas de PLLA (um polímero hidrofóbico) e poli(óxido de etileno) (PEO, hidrofílico) é miscível no estado fundido, mas apresenta separação de fases no estado sólido. A textura da superfície interna de suportes porosos tridimensionais pode ser controlada utilizando-se esse tipo de misturas poliméricas. A interconectividade, outro requisito importante desses suportes, pode ser aumentada com o aumento da fracção de PEO na mistura. As misturas contendo 50% de PLLA e 50% de PEO são bifásicas e parcialmente miscíveis: uma fase homogénea de PLLA/PEO e uma fase rica em PEO. Elas apresentam uma interface ampla e podem ser processadas nas condições típicas de processamento de termoplásticos, isto é, em altas taxas de corte. Nesta tese suportes porosos lamelados e contínuos foram preparados com camadas alternadas das duas fases de misturas poliméricas parcialmente miscíveis: os suportes foram inicialmente processados utilizando-se moldação por injecção convencional, seguindo-se o inchamento dos mesmos em água e a consequente solubilização do PEO em água. Suportes porosos com duas camadas e tamanho e distribuição de poros ajustáveis foram preparados para utilização em engenharia de tecidos osteocondrais. Nesse caso, a camada para regeneração óssea foi preparada com PLLA e hidroxiapatite, enquanto que a camada para contacto com a cartilagem foi composta por uma mistura de PLLA e amido. Resultados de ensaios de bioatividade demonstraram que a camada para regeneração óssea induz a formação de uma camada de fosfato de cálcio in vitro, ao passo que o mesmo não ocorre com a camada para regeneração da cartilagem. A precipitação de fosfato de cálcio em testes efectuados em fluidos fisiológicos simulados (SBF) é controlada por factores tais como o material, a química superficial do mesmo e a composição das misturas polímero/cerâmico bioactivas, entre outros. A superfície de suportes porosos tridimensionais preparados com compósitos de PLLA/vidros bioactivos pode alterar a composição e morfologia da fase inorgânica, oferecendo assim um método fácil para o desenvolvimento de novos materiais. Por exemplo, a superficial texturizada dos compósitos PLLA/vidros bioactivos induziu a nucleação e crescimento preferencial de fosfato octacálcico, ao passo que normalmente ocorre deposição de apatite em superfícies lisas imersas em SBF.
TypeDoctoral thesis
DescriptionTese de Doutoramento Ciência e Tecnologia de Materiais - Biomateriais.
URIhttp://hdl.handle.net/1822/7776
AccessRestricted access (UMinho)
Appears in Collections:BUM - Teses de Doutoramento

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Thesis_Ghosh.pdf
  Restricted access
46,58 MBAdobe PDFView/Open    Request a copy!

Partilhe no FacebookPartilhe no TwitterPartilhe no DeliciousPartilhe no LinkedInPartilhe no DiggAdicionar ao Google BookmarksPartilhe no MySpacePartilhe no Orkut
Exporte no formato BibTex mendeley Exporte no formato Endnote Adicione ao seu ORCID