Síntese sol-gel de biomateriais à base de água de fontes hidrotermais para otimização do comportamento celular e regeneração dos tecidos ósseos

Dissertação de Mestrado, Ciências Biomédicas, 18 de Março de 2016, Universidade dos Açores.

Uma das principais classes de biomateriais que tem vindo a ser estudada ao longo do tempo, com promissoras capacidades bioativas e biodegradáveis, é a dos biovidros. Estes materiais possuem a capacidade de promover a osteocondução, auxiliando assim o processo de regeneração óssea. Essa regeneração é mediada pela libertação de iões de cálcio e fósforo presentes na composição dos biovidros e pela formação de uma camada de hidroxiapatite carbonatada (HCA) que promove a formação de um forte vínculo ao tecido ósseo, auxiliando o metabolismo celular. O processo sol-gel, pela sua versatilidade e uso de baixas temperaturas, é uma das abordagens mais promissoras na obtenção de biovidros. Em particular, as composições 58S, 77S e 45S5 exibiram taxas de degradação significativas, com uma correspondente libertação de sílica solúvel e de outros produtos de dissolução iónica, capazes de induzir a proliferação de osteoblastos. As espécies químicas presentes nas águas minerais da Furnas (S. Miguel) conferem-lhes determinadas especificidades adequadas a aplicações na área da saúde. O presente estudo foi motivado pelas características peculiares dessas águas, tendo como objetivo a obtenção de biovidros por sol-gel, mas em cuja síntese, nomeadamente na etapa de hidrólise dos precursores alcóxidos, se substituiu a tradicional água destilada e desionizada, por águas de fontes hidrotermais vulcânicas, nomeadamente a “água azeda” e a água azeda do rebentão”, respetivamente com pH de 5.09 e 4.95, ambas oriundas do vale das Furnas. No presente trabalho foram desenvolvidos biovidros, baseados nos sistemas ternários 58S (58% SiO2, 33%CaO, 9%P2O5) e 77S (77% SiO2, 14%CaO, 9%P2O5) e quaternário 45S5 (46.1% SiO2, 26.9%CaO, 24.4% Na2O, 2.6%P2O5), preparadas e otimizadas pelo método sol-gel. A análise comparativa dos biovidros, quanto à sua estrutura, morfologia, porosidade, presença de fases cristalinas, assim como o seu caráter bioativo, foi estudado usando as técnicas de FTIR, XRD e SEM-EDS. A bioatividade foi avaliada in vitro através da capacidade de formação de hidroxiapatite à superfície, após a imersão dos biovidros em SBF. As amostras obtidas apresentam um elevado potencial do ponto de vista das propriedades e aplicações propostas, demostrando-se o seu elevado grau de bioatividade após imersos em solução biológica simulada.

ABSTRACT: One of the major classes of biomaterials that have been studied over time, with promising biodegradable and bioactive capacity, is the bioactive glasses. These materials have the ability to promote osteoconduction, thus helping the bone regeneration process. This regeneration is mediated by the release of calcium and phosphorus ions present in the composition of the bioactive glasses and the formation of a layer of carbonated hydroxyapatite (HCA), which promotes the formation of a strong bond to bone tissue, assisting cellular metabolism. The sol-gel process, by its versatility and use of low temperatures, is one of the most promising approaches in obtaining bioactive glasses. In particular, the compositions 58S, 77S and 45S5 exhibited significant degradation rates with a corresponding release of soluble silica and other ionic dissolution products capable of inducing the proliferation of osteoblasts. The chemical species present in the mineral waters of the Furnas (São Miguel) gives them certain specificities suitable for applications in health care. This study was motivated by the peculiar characteristics of such water, with the objective of obtaining bioactive glasses by sol-gel, but whose synthesis, particularly in the hydrolysis step of the alkoxide precursor, substituting the traditional distilled and deionised water, by waters of volcanic hot springs, namely "água azeda" and "água azeda do rebentão", with pH respectively at 5.09 and 4.95, both coming from the Furnas valley. In the present work, bioglasses were developed based on ternary 58S systems (58% SiO2, 33% CaO, 9% P2O5) and 77S (77% SiO2, 14% CaO, 9% P2O5) and quaternary 45S5 (46.1% SiO2, 26.9% CaO, 24.4% Na2O, 2.6% P2O5), and optimized prepared by sol-gel method. The comparative analysis of bioactive glasses, as their structure, morphology, porosity, presence of crystalline phases, as well as its bioactive character, was studied using FTIR, XRD and SEM-EDS techniques. Bioactivity was assessed by in vitro formation of hydroxyapatite capacity to the surface of bioactive glasses after immersion in SBF. The samples have a high potential from the viewpoint of the properties and applications proposed, showing up its high degree of bioactivity after immersed in simulated biological solution.