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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.59.2020.tde-28072020-084748
Document
Author
Full name
Larissa Tomazela
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Ribeirão Preto, 2020
Supervisor
Committee
Ramos, Ana Paula (President)
Camargo, Emerson Rodrigues de
Zamarioli, Ariane
Title in Portuguese
Desenvolvimento, caracterização física e química e análise de propriedades osteogênicas de cimento ósseo poroso à base de PMMA contendo estrôncio
Keywords in Portuguese
Cimento ósseo poroso
Hidroxiapatita substituída
Liberação Sr2+
Osteointegração
Polimetilmetacrilato (PMMA)
Substituto ósseo
Abstract in Portuguese
Há mais de 50 anos cimentos ósseos à base de polimetilmetacrilato (PMMA) vêm sendo utilizados em ortopedia na fixação de implantes metálicos ou como substitutos ósseos devido a sua excelente biocompatibilidade, baixo custo, moldabilidade e estabilidade mecânica logo após a implantação. Apesar de suas inúmeras vantagens e amplo uso, muitos estudos reportam soltura asséptica deste implante após implantação. De fato, os cimentos ósseos à base de PMMA não são bioativos, o que ocasiona a formação de uma camada de tecido fibroso ao redor do implante e consequentemente sua soltura. Além disso, durante a polimerização esse material pode atingir temperaturas altas o suficiente para ocasionar necrose em tecidos adjacentes. Finalmente, sua resistência superior à de ossos trabeculares pode diminuir a remodelação e densidade óssea, levando ao enfraquecimento deste tecido. Nesse sentido, pesquisas intensas vêm sendo realizadas visando melhorar as propriedades mecânicas, térmicas e biológicas deste material. Com este fim, este estudo propôs o desenvolvimento de um cimento ósseo poroso à base de PMMA carregado com nanopartículas de hidroxiapatita substituída por Sr2+ (nomeado Ca-Sr-HA). Esse material cerâmico apresenta conhecida bioatividade, e íons Sr2+ são conhecidos por regular a atividade de osteoblastos e osteoclastos. Ainda, a adição de poros ao material pode diminuir sua resistência para valores mais próximos do osso e fornecer a microarquitetura necessária para vascularização, adesão e proliferação celular, e consequentemente, crescimento de tecido ósseo no bulk e na interface cimento-osso. A princípio, hidroxiapatita substituída por diferentes porcentagens molares de Sr2+ (0-100% Sr2+) foi sintetizada e tratada termicamente a 600°C para posterior incorporação nos cimentos de PMMA. Os padrões de difração de raios-X (DRX) evidenciaram picos relacionados à HA para 0% de Sr2+ com conversão total para fase pura indexada estrôncio apatita em 100% Sr2+. O maior conteúdo de íons Sr2+ na estrutura cristalina da HA ocasionou aumento nos parâmetros de rede e na distância interplanar deste mineral como resultado do maior tamanho do íon, assim como evidenciado por DRX. Adicionalmente, essas nanopartículas apresentaram morfologia esférica com valores negativos de potencial zeta para todas as porcentagens molares de Sr2+, o que pode estimular maior adesão de proteínas e melhor proliferação celular. Após a incorporação de Ca-Sr-HA na matriz de PMMA, imagens de MEV e microtomografia computadorizada (micro-CT) mostraram que as partículas estavam localizadas preferencialmente na superfície dos poros o que permitiu que a matriz atuasse na liberação controlada de Sr2+ em PBS e meio de cultura, em concentrações variando de 20 a 210 mg/L. Essa ampla faixa de concentração está dentro da faixa terapêutica desses íons para o tratamento de osteoporose. Ainda, a análise por micro-CT confirmou a porosidade aberta e a interconectividade dos poros, características essenciais para a nutrição, proliferação e migração celular. Os testes biomecânicos do cimento evidenciaram módulo de Young comparável ao osso esponjoso, indicando que este material imita as propriedades mecânicas desse tecido, reduzindo o risco de fraturas nos ossos adjacentes e o afrouxamento asséptico pela formação da camada de tecido fibroso. Ainda, o tempo de cura e a temperatura de polimerização não foram alterados pela presença de partículas e estavam de acordo com as exigências da ISO 5833. Aumento na bioatividade in vitro na presença de maiores quantidades de íon Sr2+ foi revelada pela formação de uma camada de apatita na superfície do cimento após a exposição ao fluido corporal simulado. Finalmente e mais interessante, as amostras não mostraram efeitos de citotoxicidade em culturas de osteoblastos e tendência no aumento da proliferação celular com aumento da concentração de Sr2+ liberado foi observada. Esse conjunto de dados confirma que esses materiais podem ser potencialmente aplicados como substitutos ósseos.
Title in English
Development, physical and chemical characterization and analysis of osteogenic properties of porous bone cement based on PMMA containing strontium
Keywords in English
Bone substitute
Osteointegration
Polymethylmethacrylate (PMMA)
Porous bone cement
Sr2+ release
Substituted hydroxyapatite
Abstract in English
For more than 50 years, polymethylmethacrylate (PMMA)-based bone cement has been used in orthopedics to fix metal implants and as bone substitutes due to its excellent biocompatibility, low cost, moldability, and high mechanical stability after implantation. Despite its widespread use and numerous advantages, many studies report aseptic loosening of the material after implantation. In fact, PMMA bone cement is not bioactive, causing the formation of a fibrous layer around the implant and consequently loosening. Moreover, during polymerization, this material can achieve temperatures high enough to cause necrosis in adjacent tissues. Finally, its resistance higher than spongy bone can decrease bone remodeling and density, leading to the weakening of this tissue. In this sense, intense research has been performed to improve mechanical, thermal and biological properties of this material. In this sense, this study proposed the development of a PMMA-based porous bone cement loaded with strontium-substituted hydroxyapatite nanoparticles (Ca-Sr-HA). This ceramic material presents well described bioactivity, and Sr2+ ions are known to regulate the activity of osteoblasts and osteoclasts. Also, addition of pores to the material can decrease its resistance to values closer to the bone and provide the microarchitecture necessary for vascularization, adhesion and cell proliferation, and consequently, bone tissue growth in the bulk and at the bone-cement interface. At first, HA replaced by different molar percentages of Sr2+ (0-100% Sr2+) was synthesized and heat treated at 600°C for later incorporation into PMMA cements. X-ray diffraction patterns showed HA-related peaks for 0% Sr2+ with total conversion for strontium apatite at 100% Sr2+. The higher content of Sr2+ ions in the crystalline structure of HA caused an increase in the cell lattice parameters and in the interplanar distance of this mineral as a result of the larger size of this ion, as evidenced by XRD. Additionally, these nanoparticles showed spherical morphology with negative values of zeta potential for all molar percentages of Sr2+, which can stimulate higher protein adhesion and better cell proliferation. After Ca-Sr-HA incorporation into PMMA matrix, SEM and computerized microtomography (micro-CT) images showed that the particles were preferentially located at the surface of the pores, which allowed the matrix to act in the controlled release of Sr2+ in PBS and in growth medium, at concentrations ranging from 20 to 210 mg/L. This wide range of concentrations is within the therapeutic range of Sr2+ doses for osteoporosis treatment. Also, micro-CT analysis confirmed the open porosity and interconnectivity of pores, which are essential features for cell nutrition, proliferation and migration. A porous surface is able to improve mechanical stability of the implant by mechanical interlocking of the cement to bone. Biomechanical tests of cement revealed Young's modulus comparable to spongy bone, indicating that this material mimics the mechanical properties of this tissue, reducing the risk of fractures in adjacent bones and aseptic loosening due to the formation of a fibrous tissue layer. Furthermore, setting time and polymerization temperature were not altered by the presence of particles and were in accordance with the requirements of ISO 5833. Increased bioactivity in vitro in the presence of higher content of Sr2+ was revealed by the formation of an apatite layer on the cement surface after exposure to the simulated body fluid. Finally, and more interestingly, the samples did not show cytotoxic effects on osteoblast cultures and presented tendency to increase cell proliferation with increased content of Sr2+ released. This set of data confirms that these materials can be potentially applied as bone-substitutes.
 
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Publishing Date
2020-11-23
 
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