Surface reactivity enhancement of silica-based glass-ceramic scaffolds

A paradigm shift is taking place from using transplanting tissue and synthetic implants to a tissue engineering approach that aims to regenerate damaged tissues by combining cells from the body with highly porous scaffold biomaterials, which act as templates, guiding the growth of new tissue. The central focus of this thesis was to produce porous glass and glass-ceramic scaffolds that exhibits a bioactive and biocompatible behaviour with specific surface reactivity in synthetic physiological fluids and cell-scaffold interactions, enhanced by composition and thermal treatments applied. Understanding the sintering behaviour and the interaction between the densification and crystallization processes of glass powders was essential for assessing the ideal sintering conditions for obtaining a glass scaffolds for tissue engineering applications. Our main goal was to carry out a comprehensive study of the bioactive glass sintering, identifying the powder size and sintering variables effect, for future design of sintered glass scaffolds with competent microstructures. The developed scaffolds prepared by the salt sintering method using a 3CaO.P2O5 - SiO2 - MgO glass system, with additions of Na2O with a salt, NaCl, exhibit high porosity, interconnectivity, pore size distribution and mechanical strength suitable for bone repair applications. The replacement of 6 % MgO by Na2O in the glass network allowed to tailor the dissolution rate and bioactivity of the glass scaffolds. Regarding the biological assessment, the incorporation of sodium to the composition resulted in an inibition cell response for small periods. Nevertheless it was demonstrated that for 21 days the cells response recovered and are similar for both glass compositions. The in vitro behaviour of the glass scaffolds was tested by introducing scaffolds to simulated body fluid for 21 days. Energy-dispersive Xray spectroscopy and SEM analyses proved the existence of CaP crystals for both compositions. Crystallization forming whitlockite was observed to affect the dissolution behaviour in simulated body fluid. By performing different heat treatments, it was possible to control the bioactivity and biocompatability of the glass scaffolds by means of a controlled crystallization. To recover and tune the bioactivity of the glass-ceramic with 82 % crystalline phase, different methods have been applied including functionalization using 3- aminopropyl-triethoxysilane (APTES). The glass ceramic modified surface exhibited an accelerated crystalline hydroxyapatite layer formation upon immersion in SBF after 21 days while the as prepared glass-ceramic had no detected formation of calcium phosphate up to 5 months. A sufficient mechanical support for bone tissue regeneration that biodegrade later at a tailorable rate was achievable with the glass–ceramic scaffold. Considering the biological assessment, scaffolds demonstrated an inductive effect on the proliferation of cells. The cells showed a normal morphology and high growth rate when compared to standard culture plates. This study opens up new possibilities for using 3CaO.P2O5–SiO2–MgO glass to manufacture various structures, while tailoring their bioactivity by controlling the content of the crystalline phase. Additionally, the in vitro behaviour of these structures suggests the high potential of these materials to be used in the field of tissue regeneration.

Na chamada cirurgia reconstrutiva decorre, presentemente uma notável mudança de paradigma em que se tende a passar da utilização de tecidos transplantados e implantes sintéticos, para uma abordagem de engenharia de tecidos que tem como objetivo regenerar tecidos danificados, usando para isso células do corpo e biomateriais porosos, que orientam o crescimento do novo tecido. O foco central desta tese foi a produção de estruturas porosas vitreas ou vitroceramicas, que exibem um comportamento bioativo e biocompativel, com reatividade superficial específica em fluidos fisiológicos sintéticos e interações célula-matriz alteradas pela composição e tratamentos térmicos aplicados. Entender o comportamento de sinterização e da interação entre os processos de densificação e cristalização do vidro foi fundamental para avaliar as condições de sinterização ideais para a obtenção de uma estrutura porosa para aplicações em engenharia de tecidos. Foi realizado um estudo abrangente da sinterização, identificando o efeito da distribuição de tamanho de particula do pó de vidro e das variáveis do ciclo de sinterização na produção de scaffolds de vidro com microestruturas funcionais. As estruturas porosas desenvolvidas, preparadas pelo método de sinterização com sal usando o sistema vitreo 3CaO.P2O5 - SiO2 - MgO, com adições de Na2O e um porogéneo, NaCl, apresentam uma elevada porosidade, interconectividade, distribuição de tamanho de poros e resistência mecânica apropriada para aplicações em estratégias de regeneração óssea. A substituição de 6 % de MgO por Na2O na rede vitrea permitiu adequar a taxa de dissolução e bioactividade dos suportes porosos de vidro. Quanto à avaliação biológica, da incorporação de sódio na composição ocorreu uma inibição da resposta celular para períodos curtos. No entanto, foi demonstrado que, após 21 dias, a resposta celular é semelhante para ambas as composições. O comportamento in vitro dos suportes de vidro foi testado através da introdução destes em fluido corporal simulado (SBF) durante 21 dias. A espectroscopia por energia dispersiva de raios-X e as análises de SEM provaram a existência de precipitados de fosfato de cálcio sobre ambas as composições. A cristalização de whitlockite por ceramização das matrizes vítreas afectou o comportamento de dissolução em SBF. Em consequência dos diferentes tratamentos térmicos efectuados, foi possível produzir diferentes estados de cristalização e alterar a bioactividade e biocompatibilidade dos suportes porosos. Para recuperar e ajustar a bioatividade dos vitrocerâmicos com 82 % de fase cristalina foram aplicados diferentes métodos de modificação superficial incluindo a funcionalização com 3-aminopropil-triethoxysilane (APTES). A superfície do vitrocerâmico modificado exibiu a formação de uma camada de hidroxiapatite cristalina após 21 dias de imersão em SBF, enquanto que no vitrocerâmico base não se detetou a formação de fosfato de cálcio até 5 meses.

Doutoramento em Engenharia Biomédica