Development and characterization of an injectable bone substitute based on a hydrogel and glass-reinforced hydroxyapatite (GR-HA) granules

Abstract

Bone defects caused by a disorder or injury, affect millions of patients worldwide, limiting their life quality. Thus, in the last few years, scientists have developed synthetic bone substitutes to treat those defects. Injectable bone substitutes (IBSs), which represent a minimally invasive surgical approach, are very promising systems for specific clinical applications. Therefore, this work aimed to develop a biocompatible, biodegradable and bioactive polymeric vehicle to associate with the bone substitute glass-reinforced hydroxyapatite (GR-HA) granules, allowing their injection directly to the wound site, and also improving the substitute osteoconductive properties. Firstly, three different alginate-based hydrogels were produced, one composed just by an alginate matrix cross-linked with Ca2+ ions (Alg), and other two resulted from the combination of chitosan or hyaluronic acid with that alginate matrix (Alg/Ch and Alg/HA). These vehicles, as well as the respective IBSs (GR-HA granules plus hydrogel) were fully characterized from the physical-chemical point of view. Weight change studies revealed the swelling and degradation rate of the developed materials. The rheology tests showed that the hydrogels have a non-Newtonian viscoelastic behavior, and the injectability tests revealed that low extrusion forces are required to inject the three IBSs. Thus, all the developed hydrogels can be successfully used as vehicles for the bone substitute. Furthermore, the hydrogels were also characterized from the biological point of view to evaluate their biocompatibility. The measured metabolic activity of osteoblastic cells was higher on the Alg/HA_IBS than on the other two IBSs and GR-HA granules alone. Scanning electron microscopy (SEM) analysis demonstrated different cell morphologies on the surface of each IBS. A spreader cell shape was observed on the Alg/HA_IBS surface, proving the improvement of the substitute bioactive ability by association of the hydrogel Alg/HA. This hydrogel was even subcutaneously implanted in rats revealing a slight irritating tissue response. Considering the physical-chemical and biological results, the hydrogel Alg/HA was considered as the best vehicle among the three. Additionally, significant antimicrobial properties were granted to the hydrogel Alg/HA by incorporation of Ce(III) ions, without compromising the improvement of the osteoblastic cells metabolic activity.

Os defeitos ósseos provocados por doença ou lesão afectam milhões de pacientes em todo o mundo, limitando a sua qualidade de vida. Assim, os cientistas têm desenvolvido, nos últimos anos, substitutos ósseos sintéticos para tratar esses defeitos. Os substitutos ósseos injectáveis (IBSs), que permitem uma abordagem de tratamento minimamente invasiva, são muito promissores para aplicações clínicas específicas. Assim, neste trabalho, pretendeu-se desenvolver um veículo polimérico, biocompatível, biodegradável e bioactivo para associar com grânulos do substituto ósseo: hidroxiapatite reforçada com vidro (GR-HA). Essa associação permite a aplicação directa dos grânulos no local lesado, bem como melhorar as propriedades osteocondutivas do substituto ósseo. Desta forma, foram desenvolvidos três hidrogéis baseados em alginato, um composto por uma matriz de alginato reticulada com iões Ca2+ (Alg), e outros dois que resultaram da combinação de quitosano ou ácido hialurónico com a matriz de alginato (Alg/Ch e Alg/HA). Estes veículos, assim como os respectivos IBSs (grânulos de GR-HA mais hidrogel), foram caracterizados do ponto de vista físico-químico. Os estudos de variação de massa revelaram a taxa de aumento de volume e de degradação dos materiais desenvolvidos. Os testes de reologia demonstraram que os hidrogéis têm um comportamento não-Newtoniano e viscoelástico. Os testes de injectabilidade revelaram baixas forças de extrusão para injectar os três IBSs. Assim, todos os materiais desenvolvidos são potenciais veículos para o substituto ósseo GR-HA. Além disso, os hidrogéis foram também caracterizados biologicamente para avaliar a sua biocompatibilidade. A actividade metabólica das células osteoblásticas registada para o Alg/HA_IBS foi superior à dos outros dois IBSs e dos grânulos de GRHA. Na superfície do Alg/HA_IBS as células apresentaram uma morfologia mais esticada do que nos outros IBSs, provando que a associação do hidrogel Alg/HA ao substituto ósseo melhora a sua bioactividade. O hidrogel Alg/HA foi implantado subcutaneamente em ratos, ocorrendo uma resposta dos tecidos ligeiramente irritante. Considerando os resultados físico-químicos e biológicos, o hidrogel Alg/HA foi considerado como o melhor veículo entre os três desenvolvidos. Adicionalmente, conferiu-se a este hidrogel propriedades antimicrobianas por incorporação de iões Ce(III), sem comprometer a melhoria da actividade metabólica dos osteoblastos.