Grânulos De Fosfato De Cálcio Co-Dopado Com Silício E Estrôncio: Estudo Da Injetabilidade Do Cimento Ósseo E Aplicação Na Manufatura Aditiva
Data
2017-07-24
Autores
Reno, Caroline De Oliveira 
Orientadores
Motisuke, Mariana
Tipo
Tese de doutorado
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Resumo
The persuit for injectable biomaterials to repair the bone tissue has increased in recent years, since they offer several benefits to the patient, such as: faster bone repair and patient recovery, smaller incisions and shorter hospital stay, which, besides of reducing the risks of infection, decreases the health costs. In this context, it is relevant to develop injectable materials that are able to suit any bone defect and present good biocompatibility. Calcium phosphate cements (CPCs) is suitable to be applied in minimally invasive procedures for bone repairs, since they have the ability to form a moldable and/or injectable paste that hardens spontaneously ensuring stability to the implantation site, and when injected directly into the bone defect may provide benefits in several clinical situations. In addition, cements based on ionic substituted calcium phosphate may have their chemical, physical and biological properties optimized. Substitution with silicon, for example, decreases the thermal stability of the a -TCP phase, precursor powder of the cement; and the substitution with strontium has beneficial effects on bone regeneration. Notwithstanding, the development of injectable calcium phosphate cements (CPCs) presents some challenges such as to avoid phases segregation during injection, regardless of the applied force; needle clogging and; low mechanical strength and cohesion of the material after application. Injectability and cohesion of CPC pastes could be improved by the use of round particles, which could be easily obtained by spray drying, and the addition of viscous polymers. Through these strategies, in addition to improving the flowability of the powder and paste, others CPC properties, such as compressive strength, could be enhanced. Therefore, in this work it was studied the influence of atomization and ionic substitution on the injectability, compressive strength and microstructure of the bone cements, obtained from four different calcium phosphates: I) a-TCP (TCP); II) Sr, Si-a-TCP (TCP_D); III) atomized a-TCP (TCP_A) and; IV) atomized Sr, Si-a- TCP (TCP_DA). The atomization process lead to an unquestionable enhancement on the cement properties, such as: better injectability, higher mechanical strength and higher surface area, an important parameter to improve the biological behavior, since it increases the available surface for cellular and/or tissue interaction. Moreover, due to atomization, the liquid-to-powder ratios could be decreased resulting in cements with even higher mechanical behavior. The addition of carboxymethylcellulose was necessary in order to reduce the cohesion time, making this material an excellent candidate in order to permit cement’s use in minimally invasive surgeries, ie the polymer increased the material cohesiveness. Furthermore, the ionic substitution had a significant effect on the setting reaction, retarding the a-TCP hydrolysis, whereas for the cement made from TCP_D, even after seven days of immersion in Ringer ®, calcium deficient hydroxyapatite was not formed. Nevertheless, when the precursor powder was TCP_DA, the setting reaction even though slow, was possible, but due to the long setting times, has avoided its application as injectable material. In addition, the doped cements exhibited a lower mechanical strength probably due to less efficient entanglement of the precipitated crystals as a result of the slower setting reaction. Nevertheless, these doped cements are still good candidates for bone replacement, if they are applied as ready-made pieces, since they have mechanical resistance in the range of cancellous bone. In addition to the application of cement pastes as injectable material, the pastes could also be employed as "inks" for application in additive manufacture, by robocasting technique. Thus, from the results obtained for the moldable cements, it was possible to determine favorable conditions to apply on the development of CPC scaffolds by robocasting. CPC scaffolds were obtained by robocasting in a BCN3D + Reprapbcn machine that prints 3D parts by injecting pastes ("inks") following a 3D model made in a CAD software. TCP_A and TCP_DA pastes were tested, as well as different cement consolidation processes, resulting in scaffolds with different combinations of crystalline phases. The obtained scaffolds presented macroporosity and interconnectivity between the pores. They are potential materials to be applied in replacement of cancellous bone, and with the advantage of being printed at any geometry.
A busca por biomateriais injetáveis para aplicações de reparos ósseos tem crescido nos últimos anos devido aos diversos benefícios que o seu uso traz para o paciente, tais como: rápida reparação óssea e recuperação do paciente, menor lesão e menor tempo de internação; o que, além de reduzir os riscos de infecção, diminui os custos com a saúde. Neste contexto, o desenvolvimento de materiais diretamente injetáveis, que possam se adaptar a qualquer defeito ósseo e que possuam boa biocompatibilidade se mostra pertinente. Os cimentos de fosfato de cálcio (CFCs) são materiais propícios para serem aplicados em procedimentos minimamente invasivos de reparos ósseos já que que formam uma pasta moldável e/ou injetável que endurece espontaneamente assegurando a estabilidade ao local implantado podendo proporcionar benefícios em diversas situações clínicas. Além disso, cimentos obtidos a partir de fosfatos de cálcio com substituições iônicas em sua rede cristalina podem ter suas as propriedades químicas, físicas e biológicas otimizadas. A substituição com o silício, por exemplo, reduz a temperatura de estabilização da fase a-TCP, precursora do cimento e; a substituição com o estrôncio tem efeitos benéficos na regeneração óssea. Contudo, o desenvolvimento de cimentos de fosfato de cálcio (CFCs) injetáveis apresenta alguns desafios como evitar a segregação de fases durante a injeção, independente da força aplicada, o entupimento da agulha e a baixa resistência mecânica e coesão do material após aplicação. A injetabilidade e a coesão de pastas de CFC podem ser melhoradas pela utilização de partículas arredondadas, que podem ser facilmente obtidas por spray drying e; pela adição de polímeros viscosos à fase líquida do cimento. Através destas estratégias, além de melhorar a fluidez do pó e da pasta, outras propriedades do CFC, como a resistência à compressão, pode ser melhorada. Portanto, foi estudada a influência da atomização e da substituição iônica na resistência à compressão, injetabilidade e microestrutura de cimentos ósseos obtidos a partir de quatro diferentes fosfatos de cálcio: I) a-TCP (TCP); II) Sr, Si-a-TCP (TCP_D); III) a-TCP atomizado (TCP_A) e; IV) Sr, Si-a-TCP atomizado (TCP_DA). O processo de atomização apresentou uma influência inquestionável sobre as propriedades do cimento, já que obteve-se uma melhor injetabilidade, maior resistência mecânica e maior área superficial, um parâmetro importante para melhorar o comportamento biológico, dado que aumenta a superfície disponível para a interação celular e/ou tecidual. Vale ressaltar ainda que devido à atomização, as razões líquido-pó diminuíram, resultando em cimentos com comportamento mecânico ainda mais elevado. A adição da carboximetilcelulose se fez necessária a fim de reduzir o tempo de coesão, tornando o material um excelente candidato à aplicação em cirurgias minimamente invasivas para reparo ósseo. Já a substituição iônica teve efeito significativo na reação de pega, retardando a hidrólise do a-TCP, sendo que para o cimento feito a partir do TCP_D, mesmo após os sete dias de imersão em solução de Ringer ®, ainda não havia formado hidroxiapatita deficiente em cálcio. No entanto, quando o cimento foi feito a partir do TCP_DA, a reação de pega mesmo que lenta, foi possível, mas devido aos longos tempos de consolidação, impediram que este cimento fosse empregado como material injetável. Além disso, os cimentos dopados apresentaram uma menor resistência mecânica provavelmente devido a um entrelaçamento menos eficiente dos cristais precipitados como resultado da reação de consolidação mais lento. Contudo, esses cimentos dopados ainda são bons candidatos à substituição óssea, desde que sejam aplicados como peças prontas, já que possuem resistência mecânica para osso esponjoso. Além da aplicação das pastas de cimento como material diretamente injetável, ela também pode ser utilizada como “tintas” para aplicação na manufatura aditiva, por meio da técnica de robocasting, assim a partir dos resultados obtidos para os cimentos moldados, foi possível determinar condições favoráveis a serem aplicadas para a fabricação de scaffolds de CFC por robocasting. Os scaffolds de CFC foram obtidos por robocasting, em uma máquina BCN3D + Reprapbcn que imprime peças em 3D a partir da injeção de pastas ("tintas") seguindo um modelo 3D feito em computadores. Testaram-se pastas de TCP_A e de TCP_DA, bem como diferentes processos de consolidações do cimento, resultando em scaffolds com diferentes combinações de fases cristalinas. Os scaffolds obtidos apresentam macroporosidade e interconectividade entre os poros, e são possíveis de serem aplicados na substituição de ossos esponjosos, e com a vantagem de poderem ser impressos para deformidades de qualquer geometria.
A busca por biomateriais injetáveis para aplicações de reparos ósseos tem crescido nos últimos anos devido aos diversos benefícios que o seu uso traz para o paciente, tais como: rápida reparação óssea e recuperação do paciente, menor lesão e menor tempo de internação; o que, além de reduzir os riscos de infecção, diminui os custos com a saúde. Neste contexto, o desenvolvimento de materiais diretamente injetáveis, que possam se adaptar a qualquer defeito ósseo e que possuam boa biocompatibilidade se mostra pertinente. Os cimentos de fosfato de cálcio (CFCs) são materiais propícios para serem aplicados em procedimentos minimamente invasivos de reparos ósseos já que que formam uma pasta moldável e/ou injetável que endurece espontaneamente assegurando a estabilidade ao local implantado podendo proporcionar benefícios em diversas situações clínicas. Além disso, cimentos obtidos a partir de fosfatos de cálcio com substituições iônicas em sua rede cristalina podem ter suas as propriedades químicas, físicas e biológicas otimizadas. A substituição com o silício, por exemplo, reduz a temperatura de estabilização da fase a-TCP, precursora do cimento e; a substituição com o estrôncio tem efeitos benéficos na regeneração óssea. Contudo, o desenvolvimento de cimentos de fosfato de cálcio (CFCs) injetáveis apresenta alguns desafios como evitar a segregação de fases durante a injeção, independente da força aplicada, o entupimento da agulha e a baixa resistência mecânica e coesão do material após aplicação. A injetabilidade e a coesão de pastas de CFC podem ser melhoradas pela utilização de partículas arredondadas, que podem ser facilmente obtidas por spray drying e; pela adição de polímeros viscosos à fase líquida do cimento. Através destas estratégias, além de melhorar a fluidez do pó e da pasta, outras propriedades do CFC, como a resistência à compressão, pode ser melhorada. Portanto, foi estudada a influência da atomização e da substituição iônica na resistência à compressão, injetabilidade e microestrutura de cimentos ósseos obtidos a partir de quatro diferentes fosfatos de cálcio: I) a-TCP (TCP); II) Sr, Si-a-TCP (TCP_D); III) a-TCP atomizado (TCP_A) e; IV) Sr, Si-a-TCP atomizado (TCP_DA). O processo de atomização apresentou uma influência inquestionável sobre as propriedades do cimento, já que obteve-se uma melhor injetabilidade, maior resistência mecânica e maior área superficial, um parâmetro importante para melhorar o comportamento biológico, dado que aumenta a superfície disponível para a interação celular e/ou tecidual. Vale ressaltar ainda que devido à atomização, as razões líquido-pó diminuíram, resultando em cimentos com comportamento mecânico ainda mais elevado. A adição da carboximetilcelulose se fez necessária a fim de reduzir o tempo de coesão, tornando o material um excelente candidato à aplicação em cirurgias minimamente invasivas para reparo ósseo. Já a substituição iônica teve efeito significativo na reação de pega, retardando a hidrólise do a-TCP, sendo que para o cimento feito a partir do TCP_D, mesmo após os sete dias de imersão em solução de Ringer ®, ainda não havia formado hidroxiapatita deficiente em cálcio. No entanto, quando o cimento foi feito a partir do TCP_DA, a reação de pega mesmo que lenta, foi possível, mas devido aos longos tempos de consolidação, impediram que este cimento fosse empregado como material injetável. Além disso, os cimentos dopados apresentaram uma menor resistência mecânica provavelmente devido a um entrelaçamento menos eficiente dos cristais precipitados como resultado da reação de consolidação mais lento. Contudo, esses cimentos dopados ainda são bons candidatos à substituição óssea, desde que sejam aplicados como peças prontas, já que possuem resistência mecânica para osso esponjoso. Além da aplicação das pastas de cimento como material diretamente injetável, ela também pode ser utilizada como “tintas” para aplicação na manufatura aditiva, por meio da técnica de robocasting, assim a partir dos resultados obtidos para os cimentos moldados, foi possível determinar condições favoráveis a serem aplicadas para a fabricação de scaffolds de CFC por robocasting. Os scaffolds de CFC foram obtidos por robocasting, em uma máquina BCN3D + Reprapbcn que imprime peças em 3D a partir da injeção de pastas ("tintas") seguindo um modelo 3D feito em computadores. Testaram-se pastas de TCP_A e de TCP_DA, bem como diferentes processos de consolidações do cimento, resultando em scaffolds com diferentes combinações de fases cristalinas. Os scaffolds obtidos apresentam macroporosidade e interconectividade entre os poros, e são possíveis de serem aplicados na substituição de ossos esponjosos, e com a vantagem de poderem ser impressos para deformidades de qualquer geometria.