Performance of calcium deficient hydroxyapatite-polyglycolic acid composites: An in vitro study

The strategic incorporation of bioresorbable polymeric additives to calcium-deficient hydroxyapatite cement may provide short-term structural reinforcement and modify the modulus to closer match bone. The longer-term resorption properties may also be improved, creating pathways for bone in-growth. The aim of this study was to investigate the resorption process of a calcium phosphate cement system containing either in polyglycolic acid tri-methylene carbonate particles or polyglycolic acid fibres. This was achieved by in vitro aging in physiological conditions (phosphate buffered solution at 37°C) over 12 weeks. The unreinforced CPC exhibited an increase in compressive strength at 12 weeks, however catastrophic failure was observed above a critical loading. The fracture behaviour of cement was improved by the incorporation of PGA fibres; the cement retained its cohesive structure after critical loading. Gravimetric analysis and scanning electron microscopy showed a large proportion of the fibres had resorbed after 12 weeks allowing for the increased cement porosity, which could facilitate cell infiltration and faster integration of natural bone. Incorporating the particulate additives in the cement did not provide any mechanism for mechanical property augmentation or did not demonstrate any appreciable level of resorption after 12 weeks.

The synthesis and characterization of nanophase hydroxyapatite using a novel dispersant-aided precipitation method

The synthesis of nanophase hydroxyapatite (nHA) is of importance in the field of biomaterials and bone tissue engineering. The bioactive and osteoconductive properties of nHA are of much benefit to a wide range of biomedical applications such as producing bone tissue engineered constructs, coating medical implants, or as a carrier for plasmid DNA in gene delivery. This study aimed to develop a novel low-temperature dispersant-aided precipitation reaction to produce nHA particles (

Comparative Characterisation of 3-D Hydroxyapatite Scaffolds Developed via Replication of Synthetic Polymer Foams and Natural Marine Sponges

The production of complex inorganic forms, based on naturally occurring scaffolds offers an exciting avenue for the construction of a new generation of ceramic-based bone substitute scaffolds. The following study reports an investigation into the architecture (porosity, pore size distribution, pore interconnectivity and permeability), mechanical properties and cytotoxic response of hydroxyapatite bone substitutes produced using synthetic polymer foam and natural marine sponge performs. Infiltration of polyurethane foam (60 pores/in2) using a high solid content (80wt %), low viscosity (0.126Pas) hydroxyapatite slurry yielded 84-91% porous replica scaffolds with pore sizes ranging from 50µm - 1000µm (average pore size 577µm), 99.99% pore interconnectivity and a permeability value of 46.4 x10-10m2. Infiltration of the natural marine sponge, Spongia agaricina, yielded scaffolds with 56- 61% porosity, with 40% of pores between 0-50µm, 60% of pores between 50-500µm (average pore size 349 µm), 99.9% pore interconnectivity and a permeability value of 16.8 x10-10m2. The average compressive strengths and compressive moduli of the natural polymer foam and marine sponge replicas were 2.46±1.43MPa/0.099±0.014GPa and 8.4±0.83MPa /0.16±0.016GPa respectively. Cytotoxic response proved encouraging for the HA Spongia agaricina scaffolds; after 7 days in culture medium the scaffolds exhibited endothelial cells (HUVEC and HDMEC) and osteoblast (MG63) attachment, proliferation on the scaffold surface and penetration into the pores. It is proposed that the use of Spongia agaricina as a precursor material allows for the reliable and repeatable production of ceramic-based 3-D tissue engineered scaffolds exhibiting the desired architectural and mechanical characteristics for use as a bone 3 scaffold material. Moreover, the Spongia agaricina scaffolds produced exhibit no adverse cytotoxic response.

Investigating Approaches to Three-Dimensional Printing of Hydroxyapatite Scaffolds for Bone Regeneration

This study investigated the feasibility of manufacturing hydroxyapatite (HA)-based scaffolds using 3D printing technology by incorporating different binding additives, such as maltodextrin and polyvinyl alcohol (PVOH), into the powder formulation. Different grades of PVOH were evaluated in terms of their impact on the printing quality. Results showed that scaffolds with high architectural accuracy in terms of the design and excellent green compressive strength were obtained when the PVOH (high viscosity) was used as the binding additive for HA.

Osteogenic cell response to 3-D hydroxyapatite scaffolds developed via replication of natural marine sponges

Bone tissue engineering may provide an alternative to autograft, however scaffold optimisation is required to maximize bone ingrowth. In designing scaffolds, pore architecture is important and there is evidence that cells prefer a degree of non-uniformity. The aim of this study was to compare scaffolds derived from a natural porous marine sponge (Spongia agaricina) with unique architecture to those derived from a synthetic polyurethane foam. Hydroxyapatite scaffolds of 1 cm3 were prepared via ceramic infiltration of a marine sponge and a polyurethane (PU) foam. Human foetal osteoblasts (hFOB) were seeded at 1x105 cells/scaffold for up to 14 days. Cytotoxicity, cell number, morphology and differentiation were investigated. PU-derived scaffolds had 84-91% porosity and 99.99% pore interconnectivity. In comparison marine sponge-derived scaffolds had 56-61% porosity and 99.9% pore interconnectivity. hFOB studies showed that a greater number of cells were found on marine sponge-derived scaffolds at than on the PU scaffold but there was no significant difference in cell differentiation. X-ray diffraction (XRD) and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) showed that Si ions were released from the marine-derived scaffold. In summary, three dimensional porous constructs have been manufactured that support cell attachment, proliferation and differentiation but significantly more cells were seen on marine-derived scaffolds. This could be due both to the chemistry and pore architecture of the scaffolds with an additional biological stimulus from presence of Si ions. Further in vivo tests in orthotopic models are required but this marine-derived scaffold shows promise for applications in bone tissue engineering.

Synthesis and functionalization of hydroxyapatite nanoparticles

Graças aos desenvolvimentos na área da síntese de nanomaterais e às potentes técnicas de caracterização à nanoescala conseguimos hoje visualizar uma nanopartícula (NP) como um dispositivo de elevado potencial terapêutico. A melhoria da sua efectividade terapêutica requer no entanto o aprofundamento e sistematização de conhecimentos, ainda muito incipientes, sobre toxicidade, selectividade, efeitos colaterais e sua dependência das próprias características físico-químicas da NP em análise. O presente trabalho, elegendo como alvo de estudo uma substância considerada biocompatível e não tóxica, a hidroxiapatite (Hap), pretende dar um contributo para esta área do conhecimento. Definiram-se como metas orientadoras deste trabalho (i) estudar a síntese de nanoparticulas de Hap (Hap NP), e a modificação das características físico-químicas e morfológicas das mesmas através da manipulação das condições de síntese; (ii) estudar a funcionalização das Hap NP com nanoestruturas de ouro e com ácido fólico, para lhes conferir capacidades acrescidas de imagiologia e terapêuticas, particularmente interessantes em aplicações como o tratamento do cancro (iii) estudar a resposta celular a materiais nanométricos, com propriedades físico-químicas diversificadas. No que se refere à síntese de Hap NP, comparam-se dois métodos de síntese química distintos, a precipitação química a temperatura fisiológica (WCS) e a síntese hidrotérmica (HS), em meios aditivados com ião citrato. A síntese WCS originou partículas de tamanho nanométrico, com uma morfologia de agulha, pouco cristalinas e elevada área superficial especifica. A síntese HS à temperatura de 180ºC permitiu obter partículas de dimensões também nanométricas mas com área específica inferior, com morfologia de bastonete prismático com secção recta hexagonal e elevada cristalinidade. Com o objectivo de aprofundar o papel de algumas variáveis experimentais na definição das características finais das partículas de hidroxiapatite, designadamente o papel do ião citrato (Cit), variou-se a razão molar [Cit/Ca] da solução reagente e o tempo de síntese. Demonstrou-se que o ião citrato e outras espécies químicas resultantes da sua decomposição nas condições térmicas (180ºC) de síntese tem um papel preponderante na velocidade de nucleação e de crescimento dessas mesmas partículas e por conseguinte nas características físico-químicas das mesmas. Elevadas razões [Cit/Ca] originam partículas de dimensão micrométrica cuja morfologia é discutida no contexto do crescimento com agregação. Com o objectivo de avaliar a citotoxicidade in vitro das nanopartículas sintetizadas procedeu-se à esterilização das mesmas. O método de esterilização escolhido foi a autoclavagem a 121º C. Avaliou-se o impacto do processo de esterilização nas características das partículas, verificando-se contrariamente às partículas WCS, que as partículas HS não sofrem alterações significativas de morfologia, o que se coaduna com as condições de síntese das mesmas, que são mais severas do que as de esterilização. As partículas WCS sofrem processos de dissolução e recristalização que se reflectem em alterações significativas de morfologia. Este estudo demonstrou que a etapa de esterilização de nanopartículas para aplicações biomédicas, por autoclavagem, pode alterar substancialmente as propriedades das mesmas, sendo pois criticamente importante caracterizar os materiais após esterilização. Os estudos citotoxicológicos para dois tipos de partículas esterilizadas (HSster e WCSster) revelaram que ambas apresentam baixa toxicidade e possuem potencial para a modelação do comportamento de células osteoblásticas. Tendo em vista a funcionalização da superfície das Hap NP para multifunções de diagnóstico e terapia exploraram-se condições experimentais que viabilizassem o acoplamento de nanopartículas de ouro à superfície das nanopartículas de Hidroxiapatite (Hap-AuNP). Tirando partido da presença de grupos carboxílicos adsorvidos na superfície das nanopartículas de Hap foi possível precipitar partículas nanométricas de ouro (1,5 a 2,5 nm) na superfície das mesmas adaptando o método descrito por Turkevich. No presente trabalho as nanopartículas de Hap funcionaram assim como um template redutor do ouro iónico de solução, propiciando localmente, na superfície das próprias nanopartículas de Hap, a sua redução a ouro metálico. A nucleação do ouro é assim contextualizada pelo papel redutor das espécies químicas adsorvidas, designadamente os grupos carboxílicos derivados de grupos citratos que presidiram à síntese das próprias nanopartículas de Hap. Estudou-se também a funcionalização das Hap NP com ácido fólico (FA), uma molécula biologicamente interessante por ser de fácil reconhecimento pelos receptores existentes em células cancerígenas. Os resultados confirmaram a ligação do ácido fólico à superfície das diferentes partículas produzidas HS e Hap-AuNPs. Graças às propriedades ópticas do ouro nanométrico (efeito plasmão) avaliadas por espectroscopia vis-UV e às potencialidades de hipertermia local por conversão fototérmica, as nanoestruturas Hap-AuNPs produzidas apresentam-se com elevado interesse enquanto nanodispositivos capazes de integrar funções de quimio e terapia térmica do cancro e imagiologia. O estudo da resposta celular aos diversos materiais sintetizados no presente trabalho foi alvo de análise na tentativa de se caracterizar a toxicidade dos mesmos bem como avaliar o seu desempenho em aplicações terapêuticas. Demonstrou-se que as Hap NP não afectam a proliferação das células para concentrações até 500 g/ml, observando-se um aumento na expressão genética da BMP-2 e da fosfatase alcalina. Verificou-se também que as Hap NP são susceptíveis de internalização por células osteoblásticas MG63, apresentando uma velocidade de dissolução intracelular relativamente reduzida. A resposta celular às Hap-AuNP confirmou a não citotoxicidade destas partículas e revelou que a presença do ouro na superfície das Hap NP aumenta a taxa proliferação celular, bem como a expressão de parâmetros osteogénicos. No seu conjunto os resultados sugerem que os vários tipos de partículas sintetizadas no presente estudo apresentam também comportamentos interessantes para aplicações em engenharia de tecido ósseo.

Biocompatibility Study Of Hydroxyapatite-Chitosan Composite For Medical Applications At Microwave Frequencies

Hydroxyapatite (HAp, Ca10(PO4)6(OH)2) bioceramic and chitosan (poly [( -1-4) D-glucosamine]) biopolymer show good biocompatibility in vivo. They have biological origin and show excellent interactions with microwave. Microwave study of HAp made using different drying techniques and their composites with chitosan in the ISM band is presented. Pastes are made using HAp and chitosan with different ratios of mixing. The dielectric properties of this composites match with that of human fat, collagen tissues. Some of the compositions exhibit dielectric property close to that of natural bone. This makes them more biocompatible and better substitutes for natural bone. Thus composite bioceramics can be considered as phantom model constituents for imaging purposes. Their dielectric properties prove that they are biocompatible.

Characterization of Hydrothermally Annealed Low Temperature Bioactive Thin Film Coatings of Hydroxyapatite on TiAl6V4 Implant material

This thesis summarizes the results on the growth and characterisation of thin films of HA grown on TiAl6V4 (Ti) implant material at a lower substrate temperature by a combination of Pulsed laser deposition and a hydrothermal treatment to get sufficiently strong crystalline films suitable for orthopaedic applications. The comparison of the properties of the coated substrate has been made with other surface modification techniques like anodization and chemical etching. The in-vitro study has been conducted on the surface modified implants to assess its cell viability. A molecular level study has been conducted to analyze the adhesion mechanism of protein adhesion molecules on to HA coated implants.