Cimento ósseo de fosfato tricálcio : síntese e influência de aditivos na sua injetabilidade

Cimentos ósseos são materiais desenvolvidos há aproximadamente uma década para aplicações biomédicas. Um cimento deste tipo pode ser preparado misturando um sal de fosfato de cálcio com uma solução aquosa para que se forme uma pasta que possa reagir à temperatura corporal dando lugar a um precipitado que contenha hidroxiapatita [Ca10(PO4)6(OH)2]. A similaridade química e morfológica entre este biomaterial e a parte mineral dos tecidos ósseos permite a osteocondução, sendo o cimento substituído por tecido ósseo novo com o tempo e com a vantagem de não desencadear rejeição. Estes cimentos são usados principalmente para as operações de preenchimento ósseo, que requer operações cirúrgicas extremamente invasivas. O desafio atual é colocar este biomaterial no local de enxerto pelo método menos agressivo possível. A inovação consiste em formular composição de cimento ósseo injetável pela incorporação de aditivos. No entanto, propriedades como reduzido tempo de cura, limitada dissolução em meio líquido e resistência mecânica adequada ao local do enxerto devem ser preservadas. Neste estudo, foram abordados oito diferentes aditivos que foram incorporados ao fosfato tricálcico [Ca3(PO4)2] sintetizado, juntamente com a solução do acelerador de cura (2,5%massa de Na2HPO4 dissolvido em água destilada): CMC (carboximetilcelulose), polímero de AGAR (polissacarídeo de algas vermelhas), alginato de sódio, quitosana (fibra natural derivada da quitina), pirofosfato de sódio, lignosulfonato de sódio (polissacarídeo de algas marrons), glicerina e ácido láctico nas concentrações 0,4%; 0,8%; 1,6%; 3,2%; 6,4% em massa. Os resultados demonstraram que foi possível obter composições de cimento de fosfato de cálcio injetáveis para uso biomédico. Constatou-se uma relação de proporcionalidade direta entre a injetabilidade do cimento e tempo de injeção, sendo a injetabilidade dependente do comportamento reológico das pastas. Todas formulações testadas seguiram a mesma tendência de redução da resistência mecânica à compressão e aumento da porosidade com o aumento da quantidade de aditivo incorporado. Verificou-se que as formulações com 1,6% de carboxi-metil-celulose, 1,6% de AGAR e 0,8% de alginato de sódio, permitiram a obtenção de uma viscosidade suficiente para uma boa homogeneização e injeção, apresentando ao final da cura resistência mecânica à compressão semelhante ao do osso esponjoso.

Propriedades mecânicas do cimento ósseo e da poliuretana de mamona com e sem catalisador

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Biocompatibilidade do cimento de fosfato de cálcio implantado no rádio de coelhos

OBJETIVO: Avaliar a biocompatibilidade do cimento de fosfato de cálcio, para verificar sua eficácia como possível substituto ósseo. MÉTODOS: No presente trabalho, foi utilizado cimento de fosfato de cálcio em rádio de 8 coelhos, separados em dois grupos (GI e GII), referentes aos tempos de observação de 12 e 26 semanas pós-operatórias, a fim de se observar as reações entre este biomaterial e o tecido ósseo do animal. Foram feitas análises radiográficas e de densitometria óptica, além de microscopia óptica e eletrônica de varredura. RESULTADOS: Observou-se, ao final do experimento, que o cimento à base de fosfato de cálcio foi parcialmente reabsorvido durante o tempo de observação de 26 semanas, apresentando biocompatibilidade, com ausência de reações indesejáveis que pudessem ser atribuídas aos implantes. CONCLUSÕES: O cimento à base de fosfato de cálcio foi biocompatível e parcialmente reabsorvido no período de 26 semanas de observação. Tempos maiores de observação são necessários para a avaliação da reabsorção.

O uso do ultra-som pulsado de baixa intensidade em falhas ósseas produzidas experimentalmente em rádio de coelhos, preenchdas ou não com cimento de fosfato de cálcio

Pós-graduação em Cirurgia Veterinária - FCAV

Aplicações das redes de Bragg na biomecânica

O presente trabalho tem como objectivo o estudo, desenvolvimento e aplicações na área da biomecânica de sensores intrínsecos baseados em redes de Bragg em fibras ópticas (FBG). As aplicações são feitas em modelos biomecânicos in vitro tais como: implantes de anca, prótese de joelho, placas de osteossíntese e implantes dentários. A optimização do desenvolvimento de próteses e respectivos elementos de fixação é actualmente dependente da geração e validação experimental de seus modelos computacionais. A validação destes modelos é normalmente feita utilizando-se dados de ensaios não invasivos e invasivos em modelos sintéticos. Em ensaios in vitro os sensores convencionais têm um princípio de funcionamento eléctrico e apresentam por vezes dimensões inadequadas. Existem situações exploradas no presente trabalho, tais como sensoriamento de superfícies irregulares e junções ou ainda análises de deformações internas, onde é recomendável a utilização de sensores FBG, pois apresentam dimensões reduzidas e flexibilidade o que permite efectuar medidas localizadas. O desenvolvimento de um protocolo de utilização de FBG e a sua aplicação no contexto apresentado demonstrou-se mais adequado, pela precisão e segurança futura oferecidas. Foi desenvolvida uma metodologia experimental para medidas de deformações utilizando FBG ao longo de uma placa de osteossíntese metálica aparafusada a um fémur sintético fracturado. Foi efectuada a monitorização da cura do cimento ósseo utilizado como fixador do prato tibial na artroplastia total do joelho através da medida da sua contracção e temperatura. Foi também desenvolvido um sistema refrigerador com resposta às leituras de temperatura com vista a evitar a necrose do osso. Foram efectuados estudos de deformação nesse cimento após a sua cura, como resultado da aplicação de cargas mecânicas estáticas. Foram efectuados estudos da cura de cimento ósseo aplicado a próteses de anca e também de deformações nestas próteses. Foi ainda efectuado o estudo comparativo de vários implantes dentários através da medida da distribuição de deformações como resposta a excitações mecânicas impulsivas. Para a desmodulação das FBG foram inicialmente utilizados sistemas comerciais. Entretanto algumas aplicações não puderam ser implementadas com estes sistemas comerciais devido à baixa reflectividade das FBG utilizadas, mas fundamentalmente devido à necessidade de executar testes com uma taxa de aquisição maior do que os 5 Hz disponíveis (cerca de 15 kHz). Por estes motivos foi desenvolvido um sistema optoelectrónico completo de desmodulação de FBG baseado num filtro sintonizável e que tem como característica principal a alta taxa de aquisição (até 1,2 MHz) mas também se destaca pela facilidade na reconfiguração dos parâmetros de leitura, pela apresentação duma interface de utilizador amigável e pela capacidade de operar com até 5 FBG na mesma fibra óptica.

PMMA-co-EHA cements for osteoprotheses

The main purpose of this thesis was to produce new formulations of PMMA-co- EHA and study its feasibility as being an alternative to traditional PMMA bone cements. Thus, were originally produced several co-polymers of PMMA-co-EHA and its mechanical properties and in vitro behaviour were evaluated. The copolymers were obtained by radical polymerization and several formulations were produced by partial replacement of MMA (up to about 50%) for EHA. Overall, the results suggest that the partial replacement of MMA by EHA decreased the modulus of the materials and, consequently, increased its flexibility. Then, PMMA commercial beads were added to PMMA-co-EHA formulations (to get bone cement) and the general properties of the resulting bone cements were evaluated. In general, the results revealed that the partial replacement of MMA by EHA led to beneficial changes in curing parameters (there was a reduction of the peak temperature and an increase of curing/setting time), in the in vitro behaviour (the water capacity increased) and in the mechanical properties (the bending strength increased) of new cements. The in vitro cellular response of new formulations of PMMA-co-EHA was compared with that of traditional PMMA bone cement. To this end, we tested the cell adhesion and proliferation of osteoblast-like MG63 cells and human cells from bone marrow. The results revealed that both types of cells were able to attach and proliferate in both formulations. The only exception was observed for the formulation prepared with the highest percentage of EHA, where a few cells that adhere failed to proliferate. Moreover, it was found that increasing the amount of EHA in cement led to an increasing inhibition of cell growth, especially during the first week of culture. This was related to increased water uptake capacity by the new formulations and consequent release of some of its toxic components. Finally, PMMA commercial beads were partially replaced by HA particles and the influence of this substitution on the curing parameters, the mechanical properties and in vitro behaviour of the resulting composites was also evaluated. Incorporation of HA into the bone cements induced a number of significant changes in its final properties: 1) decrease the peak temperature; 2) increase of curing time, 3) increasing the value of elastic modulus accompanied by decrease of the strength/tension. This last finding was related to poor interfacial adhesion between the various components of the bone cements and a heterogeneous distribution (possible agglomeration) of HA particles.

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.

Nanocompósitos de PMMA/HA/grafeno para aplicações biomédicas

Os cimentos ósseos à base de PMMA para aplicações em artroplastia da anca apresentam como grande limitação o facto do seu constituinte principal ser um elemento bioinerte o que leva à falta de integração entre as interfaces cimento ósseo/tecido ósseo, comprometendo assim o desempenho mecânico da prótese ortopédica ao longo do tempo. Esta dissertação tem como objetivo principal a preparação de novas formulações de cimentos ósseos com a capacidade de estabelecer interações com os tecidos vivos circundantes. De modo a melhorar a bioatividade do sistema e facilitar a sua osseointegração, os cimentos ósseos comerciais foram reforçados com cargas significativas de HA. No entanto o recurso a elevadas cargas de HA (~60% m/m) no cimento ósseo promove debilidades do ponto de vista estrutural, levando a uma baixa resistência mecânica do material final. No sentido de ultrapassar esta limitação, foram inseridas nanoestruturas de carbono (GO ou CNTs) em baixas percentagens na matriz polimérica por forma a maximizar a sua performance mecânica através da perfeita integração de todos os componentes. A primeira fase deste trabalho consistiu no desenvolvimento de metodologias que permitissem a síntese de GO através da exfoliação química da grafite em solução aquosa. Os resultados obtidos demonstraram a obtenção de folhas de GO em larga escala e com número de camadas uniforme. A funcionalização orgânica superficial via ATRP do GO obtido, com cadeias de PMMA possibilitou o desenvolvimento de novos materiais nanocompósitos, no entanto alguns fatores de natureza tecnológica inviabilizaram o seu uso como agente de reforço na matriz idealizada. O desenvolvimento de novas formulações de cimentos ósseos consistiu numa matriz de PMMA/HA (1:2 (m/m)) reforçada com pequenas percentagens de GO ou CNTs (0,01, 0,1, 0,5 e 1,0% m/m). A síntese destes materiais nanocompósitos resultou da combinação de diversas técnicas: ultrassons, granulação por congelamento e liofilização. A análise estrutural dos nanocompósitos obtidos demonstrou a eficácia da metodologia desenvolvida na homogeneização de todos os elementos do sistema. Os estudos desenvolvidos após a conformação e caracterização estrutural dos novos materiais nanocompósitos permitiram verificar que as nanoestruturas de carbono apresentavam efeitos adversos na polimerização via radicalar do PMMA. A análise da fração orgânica permitiu verificar a presença de espécies oligoméricas o que reduziu significativamente o comportamento mecânico dos nanocompósitos. Através do estudo do aumento da concentração das espécies radicalares iniciais foi possível suplantar este problema e tirar o máximo rendimento dos agentes de reforço, tendo-se destacado os nanocompósitos reforçados com GO. A validação do ponto de vista mecânico das novas formulações de cimentos ósseos recaiu sobre o procedimento descrito na norma europeia ISO 5833 de 2002 – Implantes para cirurgia – cimentos acrílicos, tendo sido realizados os testes de compressão e de flexão. A avaliação biológica do comportamento dos cimentos ósseos assentou em duas abordagens complementares: estudos de mineralização em SBF e estudos de biocompatibilidade em meios celulares. Após a incubação das amostras em SBF ficou demonstrada a excelente capacidade para promoverem a integração de uma camada apatítica. Através de estudos celulares com Fibroblastos L929 e Osteoblastos Saos-2, nos quais foram avaliados a proliferação celular, viabilidade celular, espécies reativas de oxigénio, apoptose e morfologia celular, foi possível verificar bons níveis de biocompatibilidade para os materiais devolvidos.

Produção de quitosano e desenvolvimento de novos materiais a partir de resíduos alimentares

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Ciência e Engenharia dos Materiais

Double-setting alpha-tricalcium phosphate cement provided with interconection channels in rabbits after enucleation: a potential implant for the anophthalmic socket

The purpose of this study was to evaluate the macroscopy and microstructure of a double setting alpha-tricalcium phosphate bone cement sphere provided with interconnection channels (alpha-TCP-i), as well as the integration of the implant with the rabbits' orbital tissue, through macroscopic analysis and histopathology. The external and internal surfaces of the alpha-TCP-i were evaluated macroscopically and by electron microscopy. Twelve New Zealand rabbits received 12mm implants of alpha-TCP-i following enucleation of the left eye. The clinical assessment was undertaken daily during the first 15 days, followed by fortnightly assessment until the end of the study period. For the morphological analysis, exenteration was performed in 3 animals per experimental period (15, 45, 90 and 180 days). The external and internal surfaces of the implant appeared solid, smooth and compact, with six channels which interconnected centrally. The micro-architecture was characterized by the formation of columns of hexagonal crystals. No signs of infection, exposure, dehiscence of sutures or extrusion of the implant were noted in any of the animals during the entire period of the study. The morphological evaluation demonstrated the presence of a thin capsule around the implant, from whence appeared fibro-vascular projections, which penetrated it through the interconnecting channels. In the first days after the insertion of the implant, an intense inflammatory reaction was noted. At 180 days, however, there were no signs of inflammation. The alpha-tricalcium phosphate cement implant was well tolerated in this rabbit model and appeared to be relatively inert with some fibrovascular ingrowth through the large channels.

Functional neurologic recovery in two dogs diagnosed with severe luxation of the vertebral column

Traumatic injuries to the vertebral column, spinal cord, and cauda equina nerve roots occur frequently in human and veterinary medicine and lead to devastating consequences. Complications include partial or complete loss of motor, sensory, and visceral functions, which are among the main causes of euthanasia in dogs. The present case report describes neurological functional recovery in two dogs that were treated surgically for severe spinal fracture and vertebral luxation. In the first case, a stray, mixed breed puppy was diagnosed with thoracolumbar syndrome and Schiff-Scherrington posture, as well as a T13 caudal epiphyseal fracture with 100% luxation between vertebrae T13 and L1; despite these injuries, the animal did show deep pain sensation in the pelvic limbs. Decompression through hemilaminectomy and spinal stabilization with vertebral body pins and bone cement were performed, and the treatment was supplemented with physiotherapy and acupuncture. In the second case, a mixed breed dog was diagnosed with a vertebral fracture and severe luxation between L6 and L7 after a vehicular trauma, but maintained nociception and perineal reflex. Surgical stabilization of the spine was performed using a modified dorsal segmental fixation technique Both patients showed significant recovery of neurological function. Complete luxation of the spinal canal observed radiographically does not mean a poor prognosis, and in some cases, motor, sensory, and visceral functions all have the potential for recovery. In the first case the determining factor for good prognosis was the presence of deep pain perception, and in the second case the prognosis was determined by the presence of sensitivity and anal sphincter tone during the initial neurological examination.

Cimentos bioativos injetáveis funcionalizados com peptídeo osteogênico para reparação óssea

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Cimentos injetáveis à base de fosfatos de cálcio para vertebroplastia

O principal objectivo desta investigação foi o desenvolvimento cimentos de fosfatos de cálcio com injetabilidade melhorada e propriedades mecânicas adequadas para aplicação em vertebroplastia. Os pós de fosfato de tricálcico (TCP) não dopados e dopados (Mg, Sr e Mn) usados neste estudo foram obtidos pelo processo de precipitação em meio aquoso, seguidos de tratamento térmico de forma a obter as fases pretendidas, α− e β−TCP. A substituição parcial de iões Ca por iões dopantes mostrou ter implicações em termos de estabilidade térmica da fase β−TCP. Os resultados demonstraram que as transformações de fase alotrópicas β↔α−TCP são fortemente influenciadas por variáveis experimentais como a taxa de arrefecimento, a presença de impurezas de pirofosfato de cálcio e a extensão do grau de dopagem com Mg. Os cimentos foram preparados através da mistura de pós, β−TCP (não dopados e dopados) e fosfato monocálcico monidratado (MCPM), com meios líquidos diferentes usando ácido cítrico e açucares (sucrose e frutose) como agentes retardadores de presa, e o polietilenoglicol, a hidroxipropilmetilcelulose e a polivinilpirrolidona como agentes gelificantes. Estes aditivos, principalmente o ácido cítrico, e o MCPM aumentam significativamente a força iónica do meio, influenciando a injetabilidade das pastas. Os resultados também mostraram que a distribuição de tamanho de partícula dos pós é um factor determinante na injetabilidade das pastas cimentícias. A combinação da co-dopagem de Mn e Sr com a adição de sucrose no líquido de presa e com uma distribuição de tamanho de partícula dos pós adequada resultou em cimentos de brushite com propriedades bastante melhoradas em termos de manuseamento, microestrutura, comportamento mecânico e biológico: (i) o tempo inicial de presa passou de ~3 min to ~9 min; (ii) as pastas cimentícias foram totalmente injectadas para uma razão liquido/pó de 0.28 mL g−1 com ausência do efeito de “filter-pressing” (separação de fases líquida e sólida); (iii) após imersão numa solução durante 48 h, as amostras de cimento molhadas apresentam uma porosidade total de ~32% e uma resistência a compressão de ~17 MPa, valor muito superior ao obtido para os cimentos sem açúcar não dopados (5 MPa) ou dopados só com Sr (10 MPa); e (iv) o desempenho biológico, incluindo a adesão e crescimento de células osteoblásticas na superfície do cimento, foi muito melhorado. Este conjunto de propriedades torna os cimentos excelentes para regeneração óssea e engenharia de tecidos, e muito promissores para aplicação em vertebroplastia.

Antimicrobial effect of polymeric biomaterials for bone infection treatment

Dissertação de mestrado em Bioquímica, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa, 2016.