Author(s):
Oliveira, Ana Leite
Date: 2008
Persistent ID: http://hdl.handle.net/1822/7642
Origin: RepositóriUM - Universidade do Minho
Description
Tese de Doutoramento em Ciência e Engenharia de Polímeros - Área de Conhecimento em Ciência de Materiais Poliméricos Bone is one of the most wonderful examples of nature’s ability to engineer living materials. The processes by
which the mineralized tissues are formed can be a source of information for the development of new materials
for biomedical applications, capable of better mimicking living tissues, i.e. biomimetic materials. In the field of
bone replacement and regeneration, this new concept can lead to innovative ideas towards the controlled
fabrication of advanced materials.
When considering a particular material as being adequate for orthopaedics one should keep always in mind
that it must be mechanical and biologically compatible with bone. Furthermore, it may be advantageous to
exhibit a bone bonding behaviour, i.e. to express bioactivity by creating an environment compatible with
osteogenisis (bone growth), having the mineralizing interface developing as a natural bonding junction
between living and non-living materials. This interface can be generated by a calcium phosphate coating at the
surface of the material. The techniques whereby Ca-P layers are produced have recently undergone a
revolutionary change leading to profound consequences in their potential applications. Over the last years,
calcium phosphate layers were deposited upon the surfaces of implants under non-physiological conditions,
which limits their application in polymeric substrates. In the recent years, there has been an increasing interest
in the so-called biomimetic preparation of calcium phosphate coatings, under physiological conditions of
temperature, pH and pressure. This new generation of coating techniques as enlarged the spectrum of
potential applications of such coatings from bone fixation improvement in traditional bone replacement
applications, to coating of 3D scaffold architectures in Tissue Engineering applications. Due to their processing
versatility, these coatings can be tailored in terms of chemical composition, crystallinity and resorbability or
even be loaded with bioactive molecules and/or serve as scaffolds for the seeding of living cells, stimulating
bone formation. To do this on a degradable polymer is not a very easy task, as the surface of the substrate
(and pH around it) is continuously changing. These were the main challenges addressed in this thesis, having
always in mind that to date scientists did not produce yet any material capable of mimicking the bone
structure. In this way nature is, and will continue to be, the best material scientist, and the only one able to
design complex structures and control intricate processing routes that lead to the final shape of living
creatures.
Most of the experimental part of the work is focused on the development of tailored apatite layers on the
surface of starch based biodegradable polymers, using a sodium silicate gel as an alternative nucleating
agent. This methodology proved to be a very effective and simple mean of inducing the formation of a welldefined
apatite-like layer at the surface of these polymers. One of the advantages when comparing with the
traditional biomimetic coating methodology is that apatite is formed at a higher rate. Preliminary cell studies on
these coatings have indicated a very good osteoblast adhesion and proliferation. When increasing the ionic
product of the Simulated Body Fluid solution (SBF), it was possible to positively influence cell proliferation
possibly due to an increase in the apatite crystallinity.
Sodium silicate biomimetic methodology was also employed to coat the surface of starch based scaffolds
produced by a rapid prototyping technology (Bioplotter®), recently proposed for bone Tissue Engineering
applications. This coating methodology is particularly suitable for complex-shaped materials since sodium
silicate gel can reach the inner surfaces of the porous structures. In this work, several dynamic biomimetic
coating routes are originally proposed with the aim of producing coatings homogeneously distributed
throughout the thickness of the scaffolds, namely by using static, agitation and circulating flow perfusion
conditions. A bioreactor was specially designed for the last operating condition. Bone-like poorly crystalline
carbonated apatite layers were effectively produced at both the external and bulk surfaces of the developed
scaffolds, by covering the surface of the fibres of the scaffold while maintaining its initial porous structure and
interconnectivity. The composition, chemical structure and crystallinity of the obtained apatite layers grown
under static, agitation and flow perfusion conditions were not significantly different. In case of the flow
perfusion, the coating thickness was greatly enhanced. Besides the typical characterization techniques, Micro-
Computed Tomography analysis (µ-CT) was here used for the first time to assess scaffold porosity and as a
new tool for mapping apatite content. 2D histomorphometric analysis was performed and 3D virtual models
were created using specific softwares for CT reconstruction. By this technique it was possible to observe, in a
non-destructive way, that the interior of the scaffolds was effectively coated without compromising their overall
morphology and interconnectivity. µ-CT analysis clearly demonstrated that flow perfusion was the most
effective condition. Besides mimicking better the biological milieu, it allowed for the coating of complex
architectures at higher rates of apatite formation, greatly reducing the time of the coating process step.
The possibility of tailoring an apatite layer by incorporating bioactive agents was also assessed in this work. A
well known therapeutic agent from the family of bisphosphonates (BP) - sodium clodronate - was incorporated
in an apatite coating, previously formed on the surface of a starch based polymer by a sodium silicate
methodology, as a strategy to develop a site-specific drug delivery system for bone tissue regeneration. This
drug, currently in use for the treatment of several bone- and calcium- related pathologies like hypercalcemia,
Paget’s disease or osteoporosis, was successfully incorporated, at different doses, in the structure of a
biomimetic apatite layer. It is foreseen that these coatings can for instances be produced on the surface
degradable polymers for regulating the equilibrium on osteoblastic/osteoclastic activity in the direction of a
regenerative effect at the interface between biomaterial and bone.
The final study conducted in this work explores the possibility of incorporating Strontium into the structure of
apatite coatings prepared by a solution-derived process according to an established biomimetic methodology
for coating titanium based orthopaedic implants. It is believed that its localized presence at the interface
between an implant and bone will enhance osteointegration and therefore, ensure the longevity of a joint
prosthesis. By using this methodology it was possible to incorporate increasing amounts of Sr in the apatite
layers. Sr was found to incorporate in the apatite lattice through a substitution mechanism by replacing Ca in
the apatite lattice. The presence of Sr in solution induced an inhibitory effect on mineralization, leading to a
decrease in the thickness of the mineral layers. The obtained Sr-substituted biomimetic coatings presented a
bone-like structure similar to the one found in the human bone and are therefore expected to enhance bone
formation and osteointegration.
The results herein presented demonstrate the potential and versatility of the proposed biomimetic strategies
for improving the performance of biomaterials either in the context of regeneration or traditional substitution of
bone. O processo através do qual os tecidos mineralizados são formados constitui uma fonte de inspiração para o
desenvolvimento de novos materiais para aplicções biomédicas, capazes de mimetizar os tecidos vivos, i.e.
materiais biomiméticos. Na área da substituição e regeneração óssea, este novo conceito é particularmente
interessante, dando origem a ideias inovadoras para o fabrico de materiais avançados.
Considerar um material adequado para aplicação na área ortopédica pressupõe a sua respectiva
compatibilidade ao nível mecânico e biológico. Para além destes requisitos poderá ser também vantajoso
combinar a capacidade de promover a adesão ao tecido ósseo, isto é, induzir um comportamento bioactivo
promovendo um ambiente compatível à osteogénese (crescimento ósseo) mediante o desenvolvimento de
uma interface mineralizada, que assegure a ligação entre os materiais vivos e não vivos. Esta interface
poderá ser criada por um revestimento de fosfato de cácio à superfície do material. As primeiras técnicas
desenvolvidas para produzir este tipo de revestimentos utilizavam condições não fisiológicas, o que limitou o
seu uso em substratos poliméricos. Nos últimos anos tem havido um crescente interesse na preparação
biomimética de revestimentos de fosfato de cácio (Ca-P) em condições de temperatura, pH e pressão
próximas das fisiológicas. Esta nova geração de técnicas de revestimento permitiu alargar o espectro de
potenciais aplicações, não só no sentido de melhorar a interface com o osso em materiais para substituição
óssea como também de estimular a regeneração óssea na superfície de estruturas de suporte tridimensionais
(3D). Devido à sua versatilidade, estes revestimentos podem ser ajustados em termos da sua composição e
estabilidade química, cristalinidade e resorbabilidade, ou mesmo carregados com moléculas bioactivas e/ou
servirem como suporte para a cultura de células e posterior formação de novo osso. No entanto, aplicar este
tipo de tratamento a um polímero biodegradável não é uma tarefa fácil, já que a superfície do substrato (e o
pH envolvente) está continuamente em alteração. Estes são os desafios propostos nesta tese, tendo sempre
presente que até à data, a ciência não foi capaz de produzir um material capaz de replicar a estrutura óssea.
A natureza é, e continuará a ser, o melhor cientista de materiais, já que é capaz de desenhar estruturas
complexas e controlar intricados processos que irão conduzir à forma final dos seres vivos.
Grande parte do trabalho experimental apresentado nesta tese é baseada no desenvolvimento de
revestimentos de apatite na superfície de polímeros biodegradáveis à base de amido de milho, utilizando um
gel de silicato de sódio como um agente alternativo de nucleação. Esta metodologia provou ser um meio
simples e eficaz para induzir a formação de uma camada de apatite bem definida na superfície destes
polímeros. Uma das vantagens quando comparado com o método biomimético tradicional, é o facto de a
camada de apatite ser formada a uma velocidade superior. Estudos celulares preliminares utilizando células
do tipo osteoblasto indicaram uma boa adesão a estes revestimentos. Quando o produto iónico da solução
simuladora do plasma humano (Simulated Body Fluid – SBF) foi aumentado, foi possível influenciar
positivamente a proliferação celular devido possivelmente a um aumento da cristalinidade do revestimento de
apatite formado.
A metodologia de revestimentos biomiméticos por silicato de sódio foi também utilizada para revestir a
superfície de estruturas de suporte à base de amido de milho produzidas por uma tecnologia de prototipagem rápida (Bioplotter®), recentemente proposta para aplicações em Engenharia de Tecidos. Esta metodologia de
revestimento é particularmente adequada a estruturas com formas complexas uma vez que o gel de silicato
de sódio é capaz de penetrar nos poros e alcançar as suas superfícies interiores. Neste trabalho são
originalmente propostas diversas condições de revestimento em regime estático e dinâmico (agitação, e fluxo
por perfusão), com o objectivo de produzir revestimentos homogeneamente distribuídos em toda a estrutura
de suporte. Para induzir a circulação de fluxo por perfusão foi especialmente desenhado um bioreactor.
Através destas metodologias foi possível produzir camadas de apatite semelhantes ao osso (apatite
carbonatada exibindo baixa cristalinidade) na superfície exterior e interior das estruturas de suporte, cobrindo
toda superfície das fibras sem comprometer a sua porosidade inicial e respectiva interconectividade. A
composição, estrutura química e cristalinidade das camadas de apatite formadas em condições estáticas, de
agitação e de perfusão não foram significativamente diferentes. No entanto, no caso da perfusão, a
espessura do revestimento aumentou consideravelmente. Para além das técnicas de caracterização usuais
foi utilizada pela primeira vez a Micro Tomografia Computorizada (Micro-Computed Tomography, μ-CT) para
quantificar a porosidade das estruturas de suporte e como nova forma de quantificar a quantidade de apatite
formada na superfície das fibras. Através desta técnica foi possível observar, de uma forma não destrutiva,
que o interior dos suportes foi efectivamente revestido sem comprometer a sua morfologia e
interconectividade. A análise por μ-CT demonstrou de forma clara que a perfusão foi a condição mais eficaz.
Para além de mimetizar melhor o ambiente biológico, permitiu revestir estruturas complexas com taxas de
formação de revestimento superiores, reduzindo de forma significativa o tempo necessário para revestir
estruturas porosas.
A possibilidade funcionalizar uma camada de apatite através da incorporação de agentes bioactivos foi
também considerada neste trabalho. Foi possível incorporar nos revestimentos de apatite várias doses de um
agente terapêutico da família dos bisfosfonatos (BP) – clodronato de sódio - utilizado no tratamento de
diversas patologias relacionadas com o osso ou cálcio tais como a osteoporose, hipercalcémia ou a doença
de Paget’s. Admite-se que estes revestimentos possam, por exemplo, ser produzidos na superfície de
polímeros degradáveis de forma a intervirem directamente na regulação da actividade
osteoblática/osteoclástica, induzindo um efeito regenerativo na interface entre o osso e o biomaterial.
O estudo final apresentado nesta tese explora a possibilidade de incorporação de um outro agente
terapêutico, o Estrôncio (Sr), na estrutura de revestimentos biomiméticos, preparados por um processo
alternativo aplicado a implantes ortopédicos. Acredita-se que a presença localizada de Sr na interface entre
um implante e o osso poderá também melhorar a osteointegração e consequentemente assegurar a
longevidade de uma prótese ortopédica. Através desta metodologia foi possível incorporar quantidades
crescentes de Sr nas camadas de apatite. A incorporação de Sr na estrutura da apatite deu-se através de um
mecanismo de substituição. A sua presença teve um efeito inibidor na mineralização, dando origem a uma
diminuição na espessura das camadas de Ca-P. Estes revestimentos, ainda que incorporando Sr,
apresentaram uma estrutura semelhante ao osso e por isso é esperado que melhorem a formação óssea e a
osteointegração.
Os resultados aqui apresentados demonstram o potencial e versatilidade das metodologias biomiméticas propostas como estratégias para melhorar a performance de biomateriais em contextos regenerativos e substitutivos.