Alkali-free bioactive glasses for bone regeneration

Bioactive glasses and glass-ceramics are a class of third generation biomaterials which elicit a special response on their surface when in contact with biological fluids, leading to strong bonding to living tissues. The purpose of the present study was to develop diopside based alkali-free bioactive glasses in order to achieve good sintering behaviour, high bioactivity, and a dissolution/ degradation rates compatible with the target applications in bone regeneration and tissue engineering. Another aim was to understand the structure-property relationships in the investigated bioactive glasses. In this quest, various glass compositions within the Diopside (CaMgSi2O6) – Fluorapatite (Ca5(PO4)3F) – Tricalcium phosphate (3CaO•P2O5) system have been investigated. All the glasses were prepared by melt-quenching technique and characterized by a wide array of complementary characterization techniques. The glass-ceramics were produced by sintering of glass powders compacts followed by a suitable heat treatment to promote the nucleation and crystallization phenomena. Furthermore, selected parent glass compositions were doped with several functional ions and an attempt to understand their effects on the glass structure, sintering ability and on the in vitro bio-degradation and biomineralization behaviours of the glasses was made. The effects of the same variables on the devitrification (nucleation and crystallization) behaviour of glasses to form bioactive glass-ceramics were also investigated. Some of the glasses exhibited high bio-mineralization rates, expressed by the formation of a surface hydroxyapatite layer within 1–12 h of immersion in a simulated body fluid (SBF) solution. All the glasses showed relatively lower degradation rates in comparison to that of 45S5 Bioglass®. Some of the glasses showed very good in vitro behaviour and the glasses co-doped with zinc and strontium showed an in vitro dose dependent behaviour. The as-designed bioactive glasses and glass–ceramic materials are excellent candidates for applications in bone regeneration and for the fabrication of scaffolds for tissue engineering.

Diopside-fluorapatite-wollastonite based bioactive glasses and glass-ceramics

Bioactive glasses and glass–ceramics are a class of biomaterials which elicit special response on their surface when in contact with biological fluids, leading to strong bonding to living tissue. This particular trait along with good sintering ability and high mechanical strength make them ideal materials for scaffold fabrication. The work presented in this thesis is directed towards understanding the composition-structure-property relationships in potentially bioactive glasses designed in CaOMgOP2O5SiO2F system, in some cases with added Na2O. The main emphasis has been on unearthing the influence of glass composition on molecular structure, sintering ability and bioactivity of phosphosilicate glasses. The parent glass compositions have been designed in the primary crystallization field of the pseudo-ternary system of diopside (CaO•MgO•2SiO2) – fluorapatite (9CaO•3P2O5•CaF2) – wollastonite (CaO•SiO2), followed by studying the impact of compositional variations on the structure-property relationships and sintering ability of these glasses. All the glasses investigated in this work have been synthesized via melt-quenching route and have been characterized for their molecular structure, sintering ability, chemical degradation and bioactivity using wide array of experimental tools and techniques. It has been shown that in all investigated glass compositions the silicate network was mainly dominated by Q2 units while phosphate in all the glasses was found to be coordinated in orthophosphate environment. The glass compositions designed in alkali-free region of diopside – fluorapatite system demonstrated excellent sintering ability and good bioactivity in order to qualify them as potential materials for scaffold fabrication while alkali-rich bioactive glasses not only hinder the densification during sintering but also induce cytotoxicity in vitro, thus, are not ideal candidates for in vitro tissue engineering. One of our bioglass compositions with low sodium content has been tested successfully both in vivo and in preliminary clinical trials. But this work needs to be continued and deepened. The dispersing of fine glass particles in aqueous media or in other suitable solvents, and the study of the most important factors that affect the rheology of the suspensions are essential steps to enable the manufacture of porous structures with tailor-made hierarchical pores by advanced processing techniques such as Robocasting.

Avaliação do desempenho in vivo do biovidro FastOs™

O conceito de bioatividade surgiu com a descoberta, no início década de 70, de que algumas composições vítreas (ex.: 45S5 Bioglass®), tinham a capacidade de estabelecer uma ligação direta e estável com os tecidos vivos. Desde então, este grupo de biomateriais tem vindo a receber uma atenção cada vez maior por parte dos investigadores, tendo como motivação principal a busca de novas composições com propriedades mais adequadas para a regeneração óssea do que as composições comercialmente disponíveis. Na presente tese, avaliou-se o desempenho in vivo de duas composições de biovidro do sistema diopsite (CaMgSi2O6) - fluorapatite (Ca5(PO4)3F) - fosfato tricálcico (3CaO•P2O5) aplicados em defeitos ósseos de tamanho não crítico em carneiros, tendo também sido avaliada a biocompatibilidade dos biomateriais através da aplicação subcutânea de placas dos mesmos vidros. O trabalho realizado também incluiu a avaliação dos materiais in vitro, através de estudos de biomineralização em fluido corporal simulado e estudos de degradação. Os biomateriais foram comparados com o biovidro 45S5 Bioglass®, sendo que em termos de bioatividade in vitro, as duas composições investigadas apresentaram um maior potencial bioativo, levando à formação de uma camada superficial de hidroxiapatite carbonatada, em contraste com a formação de calcite na composição comercial, sob condições idênticas. Os testes de degradação in vitro também apresentaram resultados melhores para as duas novas composições, traduzidos por variações de pH e taxas de degradação menores do que os observados no caso do 45S5 Bioglass®. A avaliação in vivo dos implantes subcutâneos permitiu apurar a biocompatibilidade dos biovidros testados, tendo sido considerados ligeiramente irritantes. Os resultados relativos à aplicação dos pós de vidro bioativo nos defeitos ósseos não foram obtidos em tempo útil de modo a poderem ser incluídos na presente tese. Considerando o desempenho in vitro e a biocompatibilidade dos materiais estudados, estes podem apontar-se como materiais promissores para aplicações em engenharia de tecidos, particularmente na regeneração do tecido ósseo.

A actividade sintética de hMSCs em contacto com vidros bioativos

Os vidros bioativos constituem um material apropriado para o preenchimento de defeitos ósseos, como alternativa a enxertos autólogos, uma vez que, quando expostos a fluidos fisiológicos promovem a formação de uma ligação com o tecido ósseo sob a forma de uma camada de hidroxiapatite carbonatada. No presente trabalho caracterizaram-se vidros bioativos sem conteúdo alcalino, cuja composição incide no sistema binário de diópsido (CaMgSi2O6) e fosfato de tricálcio (3CaO·P2O5), em função da sua molhabilidade, carga superficial, perfil de degradação, carácter bioativo em fluido fisiológico simulado e do seu comportamento in vitro em contacto com células estaminais mesenquimais humanas (hMSCs). A medição do ângulo de contacto inicial de água sobre os vidros demonstrou o carácter hidrofílico dos vidros investigados. A determinação do potencial zeta mostrou que a carga superficial dos vidros é negativa, sendo mais negativa na composição Di-70. O estudo da biodegradação dos vidros, efetuado através da sua imersão em Tris-HCl, permitiu concluir que a perda de peso dos vidros foi reduzida. A caraterização in vitro em meio acelular foi efetuada através da imersão dos vidros numa solução de fluido fisiológico simulado (SBF) e verificou-se que estes possuem capacidade de formar uma camada de hidroxiapatite carbonatada à sua superfície após 7 dias, detetável por XRD, FTIR e SEM/EDS, sugerindo que este conjunto de vidros é potencialmente bioativo, e poderá estimular a proliferação e diferenciação celular. A resposta das hMSCs em cultura aos vidros bioativos foi avaliada em termos de atividade metabólica, morfologia, viabilidade, proliferação e diferenciação osteogénica e conclui-se que os biovidros Di-60 e Di-70 poderão constituir um suporte viável para a proliferação e diferenciação de hMSCs.

Clinopyroxene based glasses and glass-ceramics for functional applications

As piroxenas são um vasto grupo de silicatos minerais encontrados em muitas rochas ígneas e metamórficas. Na sua forma mais simples, estes silicatos são constituídas por cadeias de SiO3 ligando grupos tetrahédricos de SiO4. A fórmula química geral das piroxenas é M2M1T2O6, onde M2 se refere a catiões geralmente em uma coordenação octaédrica distorcida (Mg2+, Fe2+, Mn2+, Li+, Ca2+, Na+), M1 refere-se a catiões numa coordenação octaédrica regular (Al3+, Fe3+, Ti4+, Cr3+, V3+, Ti3+, Zr4+, Sc3+, Zn2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+), e T a catiões em coordenação tetrahédrica (Si4+, Al3+, Fe3+). As piroxenas com estrutura monoclínica são designadas de clinopiroxenes. A estabilidade das clinopyroxenes num espectro de composições químicas amplo, em conjugação com a possibilidade de ajustar as suas propriedades físicas e químicas e a durabilidade química, têm gerado um interesse mundial devido a suas aplicações em ciência e tecnologia de materiais. Este trabalho trata do desenvolvimento de vidros e de vitro-cerâmicos baseadas de clinopiroxenas para aplicações funcionais. O estudo teve objectivos científicos e tecnológicos; nomeadamente, adquirir conhecimentos fundamentais sobre a formação de fases cristalinas e soluções sólidas em determinados sistemas vitro-cerâmicos, e avaliar a viabilidade de aplicação dos novos materiais em diferentes áreas tecnológicas, com especial ênfase sobre a selagem em células de combustível de óxido sólido (SOFC). Com este intuito, prepararam-se vários vidros e materiais vitro-cerâmicos ao longo das juntas Enstatite (MgSiO3) - diopsídio (CaMgSi2O6) e diopsídio (CaMgSi2O6) - Ca - Tschermak (CaAlSi2O6), os quais foram caracterizados através de um vasto leque de técnicas. Todos os vidros foram preparados por fusão-arrefecimento enquanto os vitro-cerâmicos foram obtidos quer por sinterização e cristalização de fritas, quer por nucleação e cristalização de vidros monolíticos. Estudaram-se ainda os efeitos de várias substituições iónicas em composições de diopsídio contendo Al na estrutura, sinterização e no comportamento durante a cristalização de vidros e nas propriedades dos materiais vitro-cerâmicos, com relevância para a sua aplicação como selantes em SOFC. Verificou-se que Foi observado que os vidros/vitro-cerâmicos à base de enstatite não apresentavam as características necessárias para serem usados como materiais selantes em SOFC, enquanto as melhores propriedades apresentadas pelos vitro-cerâmicos à base de diopsídio qualificaram-nos para futuros estudos neste tipo de aplicações. Para além de investigar a adequação dos vitro-cerâmicos à base de clinopyroxene como selantes, esta tese tem também como objetivo estudar a influência dos agentes de nucleação na nucleação em volume dos vitro-cerâmicos resultantes á base de diopsídio, de modo a qualificá-los como potenciais materiais hopedeiros de resíduos nucleares radioactivos.

Acrylic bone cements modified with bioactive and biodegradable fillers

O cimento ósseo acrílico é o único material utilizado para a fixação de próteses em cirurgias ortopédicas, surgindo como uma alternativa às técnicas não cimentadas. Cerca de um milhão de pacientes são anualmente tratados para a substituição total da articulação do quadril e do joelho. Com a maior expectativa de vida da população e o aumento do número de cirurgias realizadas por ano espera-se que o uso do cimento ósseo aumente substancialmente. A fraca ligação do cimento ao osso é um problema comum que pode causar perda asséptica da prótese. Assim, torna-se necessário investir no desenvolvimento de cimentos ósseos alternativos que permitam promover maior estabilidade e melhor desempenho do implante. O principal objetivo desta tese foi desenvolver um cimento ósseo bioativo, capaz de ligar-se ao osso, com propriedades melhoradas relativamente aos sistemas convencionais. A preparação dos materiais foi realizada por dois processos diferentes, a polimerização por via térmica e a polimerização por via química. Inicialmente, utilizando o processo térmico, foram desenvolvidos compósitos de PMMA-co-EHA reforçados com vidro de sílica (CSi) e vidro de boro (CB) e comparados em termos do seu comportamento in vitro em meio acelular e celular. A formação de precipitados de fosfato de cálcio foi observada sobre a superfície de todos os compósitos indicando que estes materiais são potencialmente bioativos. Em relação à avaliação biológica o CSi demonstrou um efeito indutor da proliferação das células. As células apresentaram uma morfologia normal e alta taxa de crescimento quando comparadas com o padrão de cultura. Por outro lado ocorreu inibição da proliferação celular para o CB provavelmente devido à sua elevada taxa de degradação, levando a uma elevada concentraçao de iões de B e de Mg no meio de cultura. O efeito do vidro nos cimentos curados por via química, incorporando um activador de baixa toxicidade, também foi avaliado. Os resultados sugerem que as novas formulações podem diminuir o efeito exotérmico na cura do cimento e melhorar as propriedades mecânicas (flexão e compressão). Outro estudo conduzido neste trabalho explorou a possibilidade de incorporar ibuprofeno (fármaco anti-inflamatório) no cimento, dando origem a um material capaz de ser simultaneamente, bioativo e promotor da libertação controlada de fármacos. Neste contexto foi evidenciado que o desempenho do cimento desenvolvido pode contribuir para minimizar o processo inflamatório associado a uma cirurgia ortopédica. Finalmente, a fase sólida do cimento ósseo bioativo foi modificada por diferentes polímeros biodegradáveis. A adição deste enchimento deu origem a um cimento parcialmente biodegradável que pode permitir a formação de poros e o crescimento ósseo para o interior do cimento, resultando numa melhor fixação da prótese.

Characterization of bioactive compounds of dealcoholized wine: valuation of distillation process

O vinho tinto é uma importante fonte de compostos fenólicos com atividade antioxidante e que estão relacionados com a prevenção de doenças cardiovasculares e cancro. Estes compostos são um sub-produto do processo de destilação vínica utilizado para produzir aguardente necessária para a produção de Vinho do Porto. Esta tese tem como objetivo valorizar os compostos fenólicos resultantes das destilarias de vinho, através do estudo da sua composição, das interações com o material polimérico do vinho, da sua estabilidade durante o armazenamento e avaliação dos seus potenciais efeitos biológicos in vitro. Isto irá permitir definir aplicações para estes compostos como ingredientes alimentares com propriedades funcionais. Dois vinhos tintos (RW1 e RW2) foram utilizados como fonte de compostos fenólicos. A fim de estudar estes compostos, cada vinho foi evaporado à pressão atmosférica, permitindo obter o respetivo vinho desalcolizado (DW1 e DW2). Os polissacarídeos e compostos fenólicos presentes nos vinhos desalcolizados foram fracionados por extração em fase sólida utilizando cartuchos C18 sep-pak. A fração hidrofóbica, rica em compostos fenólicos, foi separada em frações ricas em ácidos fenólicos, em procianidinas e em antocianinas, as quais foram usadas para avaliar a sua contribuição para a atividade antioxidante total e caracterização fenólica detalhada dos DW. Foram obtidas quantidades comparáveis de compostos fenólicos totais (1.3 g/L para RW1 e DW1, e 3.1 para RW2 e DW2), de taninos (1.2 g/L para RW1 e DW1 e 1.6 para RW2 e DW2) e de antocianinas (0.24 g/L para RW1 e DW1 e 0.41 para RW2 e DW2) para os vinhos e para os respetivos vinhos desalcolizados. A determinação da atividade antioxidante de RW e DW pelos métodos do DPPH e ABTS também originou valores semelhantes, permitindo inferir que o processo de destilação realizado não promoveu uma perda relevante de compostos fenólicos. A atividade antioxidante total de vinho deveu-se essencialmente à fração rica em antocianinas. Os dois DW foram dialisados para se obter o material polimérico dos vinhos (WPM1 e WPM2). O WPM1 e WPM2 apresentavam 1.1 e 1.3 g/L de material sólido, respetivamente. O WPM (WPM1 e WPM2) era composto por polissacarídeos (31 e 36%), proteínas (10 e 12%) e também por compostos fenólicos (32 e 43%). A análise de açúcares mostrou que as manoproteínas e as arabinogalactanas eram os principais polissacarídeos presentes. A extração do WPM com metanol deu origem a um material insolúvel em metanol (PMi) e a uma fração solúvel em metanol, que continuava a conter hidratos de carbono e compostos fenólicos, mostrando uma forte interação entre estes compostos. Para determinar a energia de ativação (Ea) da libertação dos compostos fenólicos de fracções de material polimérico do vinho, foram realizadas diálises do DW, WPM e PMi, utilizando-se quatro concentrações diferentes, a cinco temperaturas (5-40 °C). O valor da Ea foi 25 para o WPM e 61 kJ/mol para o PMi, mostrando que os compostos fenólicos do vinho podem estar associados de forma diferente à matriz polimérica e que uma fração pode estar, ainda, fortemente associada a esta matriz. A fim de avaliar a possível existência de interações seletivas com os compostos fenólicos, o WPM foi fracionado, permitindo a obtenção de uma fração rica em manoproteínas (MP), através de uma cromatografia de afinidade com concanavalina A e 3 frações ricas em arabinogalactanas (AG0, AG1 e AG2) obtidas por cromatografia de troca aniónica. Foi avaliada a difusão de nove antocianinas monoméricas através de uma membrana de diálise, em presença do WPM, e das frações ricas em MP e em AG. A diálise dos compostos fenólicos livres do vinho foi realizada como ensaio em branco. Todas as frações poliméricas mostraram capacidade para reter as antocianinas, embora em diferente extensão. Foi observada uma capacidade de retenção maior para as antocianinas acilglucosiladas do que para as antocianinas glucosiladas. A fração rica em AG teve uma maior contribuição para a capacidade de retenção das antocianinas pelo material polimérico vinho do que a fração rica em MP, principalmente quando as antocianinas estavam acetiladas. Com o objetivo de estudar formas para preservar, a longo prazo, as propriedades antioxidantes dos compostos fenólicos, o extrato de compostos fenólicos (PCE), em pó, foi armazenado em diferentes condições de luz e atmosfera, à temperatura ambiente durante 1 ano. Observou-se que o PCE armazenado no escuro, dentro de um exsicador sob atmosfera de azoto, preservou 95% da atividade antioxidante inicial. Também foram avaliadas as melhores condições para preservar as antocianinas quando em solução, armazenadas a duas temperaturas (5 e 30 ºC) durante 3 meses. A adição de 0.5 g/L de uma fração rica em polissacarídeos a um vinho armazenado a 30 ºC promoveu a proteção das antocianinas, especialmente das antocianinas cumaroiladas. Os potenciais efeitos biológicos dos compostos fenólicos foram avaliados em diferentes sistemas celulares in vitro utilizando as seguintes frações: WPM, WPS (polissacarídeos do vinho), WPC (compostos fenólicos do vinho), PA-E (fração rica em ácidos fenólicos), PR-E (fração rica em procianidinas) e APP-E (fração rica em antocianinas e procianidinas poliméricas). Foi observada uma maior viabilidade celular quando as células do carcinoma do cólon HT-29 foram expostas a dois agentes oxidantes (radiação UV e H2O2) em presença das frações PR-E e APP-E. Além disso, os extratos WPS, WPC, PR-E e APP-E mostraram propriedades anti-inflamatórias, avaliadas pela inibição da produção de NO por células de macrófagos RAW264.7, sendo o extrato APP-E (0.19 mg/mL) o que exibiu a maior capacidade anti-inflamatória. A fim de elucidar as propriedades antioxidantes dos extratos do vinho em células humanas, os glóbulos vermelhos (RBC) foram selecionados como um modelo metabolicamente simples. Os extratos WPM, WPS, WPC, PR-E, e APP-E mostraram efeito anti-hemolítico para a hemólise dos RBC provocada pelo peróxido de hidrogénio (H2O2) e pelo di-hidrocloreto de 2,2'-azo-bis(2-diaminopropano) (AAPH). Os resultados obtidos permitem concluir que o processo de desalcoolização dos vinhos à pressão atmosférica, preservou as principais características antioxidantes dos compostos fenólicos. Estes compostos podem contribuir para a defesa das células contra agentes oxidantes, nomeadamente por terem um potencial de atividades anti-inflamatória e anti-hemolítica, promovendo a viabilidade celular. A interação dos compostos fenólicos do vinho com o material polimérico permite inferir uma dosagem contínua e gradual das antocianinas vinho tinto após a sua ingestão, contribuindo para um período mais longo da sua exposição e, como consequência, dos seus potenciais benefícios para a saúde.