Caracterização físico-química e avaliação do efeito biológico da biosilica proveniente da espécie de esponja marinha tedania ignis

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Data
2018-09-21
Autores
Cruz, Matheus de Almeida [UNIFESP]
Orientadores
Renno, Ana Claudia Muniz [UNIFESP]
Tipo
Dissertação de mestrado
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Resumo
Bone fractures are an important event in the medical clinic and are mainly related to the occurrence of trauma, accidents, sports injuries and diseases. In this context, biomaterials have been gaining prominence as an alternative in the treatment of fractures, especially the active bioglass 45S5, which is considered the gold standard of performance in the treatment of fractures. However, the great problem of this resource is due to its high cost of manufacturing or importation, which makes its access to the population restricted. Thus, research that seeks to prospect for natural products that have a good performance in bone repair becomes more and more necessary. In this context, marine sponges, which are already the marine organisms most used in medical research, present in their skeleton an organic portion, which is an analogue of collagen type XIII called spongin, in addition to an inorganic portion called Biosilica (BS), which makes up the spicules of these marine organisms. In this context, the objective of this work was: (i) to characterize physicochemically the BS and (ii) evaluate the biological effect of BS by in vivo analyzes. BG 45S5 was used for comparison in both cases. The characterization was done through MEV / EDX, XRD, FTIR, Calcium test and pH. For the in vivo tests, histopathological, histomorphometric and three-point biomechanical tests were performed. The results of SEM / EDX indicated that BS, after its extraction, showed spike structures with presence of Si (Silica) and O (oxygen) elements in its composition, while BG presented particles of varying size and shape with presence of the elements Si (Silica), O (Oxygen), Ca (Calcium), Na (Sodium), Al (Aluminum), Mg (Magnesium) and P (Phosphorus). In the FTIR results, it was possible to observe peaks referring to the groups Si-OH and Si-O-Si in BS and BG, besides the BG present a peak referring to the P-O. The XRD spectrum demonstrated the predominantly amorphous character of BS, but still with crystalline peaks characteristic of silica containing samples, while BG was completely amorphous. In the Ca assay, BS on day 1 demonstrated mineralization while BG demonstrated ion release from the incubation solution. However, from day 3, BS and BG demonstrated to release Ca in the incubator solution, this process being more prominent in BG until the last period. The pH analyzes allowed to observe that BS acidified the incubation medium on day 1 and, from the third day, the same reached a plateau near the physiological pH, while BG demonstrated to alkalinize the medium of day 1 until day 21. The results of the histopathological analysis, in tibiae of rats after 15 days, demonstrated extensive formation of bone tissue in Control Group (GC), presenting areas of osteoid tissue. BS demonstrated to be biocompatible, with initial formation of neoformed bone tissue, mainly in the periphery of the defect, presenting osteoid tissue, besides extensive formation of granulation tissue organized around BS particles. BG presented areas of formation of neoformed bone tissue largely than BS, with a large volume of osteoid tissue interspersed by BG particles and less evident granulation tissue. The histomorphometric parameter for the osteoblastic surface (Ob.S / BSf) demonstrated the bioactivity and anabolic effect of Biosilica. Biomechanical analysis demonstrated good mechanical properties of BS. Finally, it was possible to conclude that BS may present great potential in the fracture repair process, however, more biological studies with longer experimental periods and with different forms of presentation of the material are still necessary, in order to elucidate the mechanisms involved in the repair and to optimize the performance of this new material.
Fraturas ósseas são um importante evento na clínica médica e estão relacionadas principalmente a ocorrência de traumas, acidentes, lesões esportivas e doenças. Nesse contexto, os biomateriais vem ganhando destaque como alternativa no tratamento de fraturas, sobretudo o biovidro ativo 45S5, que é considerado o padrão ouro de performance no tratamento de fraturas. No entanto, a grande problemática desse recurso se dá pelo seu alto custo de manufatura ou importação o que torna o seu acesso à população restrito. Dessa forma, pesquisas que visem prospecção de produtos naturais que tenham uma boa performance no reparo ósseo se fazem cada vez mais necessárias. Nesse contexto, as esponjas marinhas, que já são os organismos marinhos mais utilizados em pesquisas médicas, apresentam em seu esqueleto uma porção orgânica, a qual é um análogo do colágeno tipo XIII chamado espongina, além de uma porção inorgânica chamada Biosilica (BS), que compõe as espículas desses organismos marinhos. Diante deste contexto, o objetivo deste trabalho foi: (i) caracterizar físicoquimicamente a BS e (ii) avaliar o efeito biológico de BS através de análises in vivo. O BG 45S5 foi utilizado para comparação em ambos os casos. A caraterização foi feita através de MEV/EDX, XRD, FTIR, ensaio de Cálcio e pH. Para os testes in vivo, foram realizadas analises histopatológicas, histomorfométricas e ensaio de biomecânica de três pontos. Os resultados de MEV/EDX indicaram que a BS, após sua extração, apresentou estruturas em formato de espícula com presença dos elementos Si (Sílica) e O (oxigênio) em sua composição, enquanto o BG apresentou partículas de tamanho e formato variados com presença dos elementos Si (Sílica), O (Oxigênio), Ca (Cálcio), Na (Sódio), Al (Alumínio), Mg (Magnésio) e P (Fósforo). Nos resultados de FTIR, foi possível observar picos referentes aos grupamentos Si-OH e Si-OSi em BS e BG, além do BG apresentar também pico referente ao grupamento P-O. O espectro de XRD demonstrou a característica predominantemente amorfa da BS, porém ainda com picos cristalinos característicos de amostras contendo Sílica, enquanto o BG demonstrou ser completamente amorfo. No ensaio de Ca, BS no dia 1 demonstrou mineralização, enquanto BG demonstrou liberação do íon da solução de incubação. Contudo, a partir do dia 3, BS e BG demonstraram liberar Ca na solução incubadora, sendo este processo mais proeminente em BG até o último período. As análises de pH permitiram observar que BS acidificou o meio de incubação no dia 1 e, a partir do terceiro dia, o mesmo alcanço um platô próximo ao pH fisiológico, enquanto BG demonstrou alcalinizar o meio do dia 1 até o dia 21. Os resultados da análise histopatológica, em tíbias de ratos após 15 dias, demonstraram extensa formação de tecido ósseo em Grupo Controle (GC), este apresentando áreas de tecido osteóide. BS demonstrou ser biocompatível, com inicial formação de tecido ósseo neoformado, principalmente na periferia do defeito, apresentando tecido osteóide, além de extensa formação de tecido de granulação organizado ao redor das partículas de BS. BG apresentou áreas de formação de tecido ósseo neoformado em maior extensão que BS, com grande volume de tecido osteóide entremeado pelas partículas de BG e tecido de granulação menos evidente. O parâmetro histomorfométrico para a superfície osteoblastica (Ob.S/BSf) demonstrou a bioatividade e o efeito anabólico da Biosilica. A análise biomecânica demonstrou boas propriedades mecânicas da BS. Por fim, foi possível concluir, que a BS pode apresentar um grande potencial no processo de reparo de fraturas, no entanto são ainda necessários mais estudos de caráter biológico com períodos experimentais mais longos e com diferentes formas de apresentação do material, afim de se elucidar os mecanismos envolvidos no reparo e de se otimizar a performance deste novo material.
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Citação
CRUZ, Matheus de Almeida. Caracterização físico-química e avaliação do efeito biológico da biosilica proveniente da espécie de esponja marinha tedania ignis. 2018. 69f. Dissertação (Mestrado) - Instituto do Mar, Universidade Federal de São Paulo, Santos, 2018.