Avaliação do biovidro 45S5 modificado com Nb+5 na fabricação de arcabouço para engenharia tecidual

Avaliação do biovidro 45S5 modificado com Nb+5 na fabricação de arcabouço para engenharia tecidual

Author Siqueira, Lilian De Autor UNIFESP Google Scholar
Advisor Triches, Eliandra De Sousa Autor UNIFESP Google Scholar
Institution Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP)
Graduate program Engenharia e Ciência de Materiais
Abstract Currently, various types of alloplastic grafts, known as scaffolds, have been developed for the treatment of bone defects caused by trauma and/or infection. Among the materials used to manufacture scaffolds, the 45S5® Bioglass stands out due to its excellent bioactivity and ease of preparation. This bioglass has the ability to form chemical bonds with both soft tissues (cartilages) and hard tissues (bones). Among the various processing methods cited in the literature for the production of bioactive glass scaffolds, gelcasting is a method that produces macroporous structures with interconnected and spherical pores and good mechanical strength. However, there are few reports in the literature about bioactive glass scaffolds produced by the gelcasting method. In the present work, bioglass derived from 45S5® (BG45S5) and 45S5® modified with niobium (Nb+5) (BGNb5 and BGNb10) were manufactured by fusion/cooling technique and used to manufacture scaffolds by gelcasting method for tissue engineering applications. The obtained bioglass were characterized by X-ray fluorescence (FRX), particle size by laser diffraction and differential scanning calorimetry (DSC). The obtained bioglass showed chemical composition close to the nominal ones and exhibited particle size ˂ 7 μm. A change in the profile of the DSC curves in relation to Tg and Tc of the bioglass can be observed due to the addition of Nb2O5 in the bioglass composition. Then, different thermal treatments (500 - 1000 ºC) were carried out in the bioglass to study the effect of the addition of Nb2O5 on the structural properties of the BG45S5 bioglass during the calcination process. To this end, the following investigations were performed: X-ray diffractometry (XRD), Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy and RAMAN spectroscopy. The MTT test was performed to select the best composition for the scaffolds. The bioglass presented a vitreous characteristic after the synthesis process, as well as the formation of the main crystalline phases: Na2CaSi2O6 and NaNbO3 after heat treatment. FTIR and Raman spectroscopy allowed a detailed understanding of the bioglass structure. For the BGNb's, the NbO6 octahedron enters the silicate network, sharing its vertices with the silicon tetrahedra to form O-Si-O-Nb-O-Si-O chains. The results of in vitro bioglass studies on the viability of osteoblasts show significant differences between BG45S5 and BGNb's. The BGNb10 bioglass presented better cell viability compared to BG45S5 and BGNb5. Thus, BG45S5 and BGNb10 bioglass scaffolds were prepared by the gelcasting method, where different amounts of foaming agent (0.1, 0.2 and 0.3% by mass) were tested. The obtained scaffolds were characterized by scanning electron microscopy (SEM), X-ray microtomography, X-ray diffractometry (XRD),mechanical resistance to compression and in vitro biological assays. The scaffolds produced presented macroporous structures, with interconnected and spherical pores. The BG45S5 bioglass scaffolds showed porosity between 70.7 ± 0.8 – 86.0 ± 1.2 % and compressive strength of 1.22 ± 0.7 and 0.78 ± 0.4 MPa, while BGNb10 bioglass scaffolds showed 89.2 ± 1.4 % porosity and compressive strength of 0.18 ± 0.03 MPa. In in vitro biological studies, all scaffolds showed cytocompatibility for human osteoblastic cells and bioactive properties using the SBF assay. However, BGNb10 bioglass scaffolds show a tendency for higher alkaline phosphatase activity (ALP) and higher degradation than BG45S5 bioglass scaffolds. Thus, the biological evaluation suggests a viable application of the macroporous scaffolds of BGNb10 bioglass for applications in the regeneration of the bone tissue.

Atualmente vários tipos de enxertos aloplásticos, conhecidos como arcabouços, têm sido desenvolvidos para tratamento de defeitos ósseos causados por um trauma e/ou infecção. Entre os materiais utilizados para fabricação dos arcabouços, o 45S5® Bioglass se destaca devido à sua excelente bioatividade e facilidade de preparo. Este biovidro apresenta capacidade de formar ligação química tanto com tecidos moles (cartilagens) quanto com tecidos duros (ossos). Entre os vários métodos de processamento citados na literatura para a produção de arcabouços de vidros bioativos, o gelcasting é um método que produz estruturas macroporosas, com poros interconectados e esféricos e boa resistência mecânica. No entanto, existem poucos relatos na literatura sobre arcabouços de vidro bioativo produzidos pelo método de gelcasting. No presente trabalho, biovidros derivados do 45S5® (BG45S5) e 45S5® modificados com nióbio (Nb+5) (BGNb5 e BGNb10) foram fabricados pela técnica de fusão/resfriamento e utilizados para fabricação de arcabouços pelo método de gelcasting visando aplicações na engenharia tecidual. Os biovidros obtidos foram caracterizados por fluorescência de raios-X (FRX), tamanho de partícula por difração a laser e calorimetria exploratória diferencial (DSC). Os biovidros obtidos apresentaram composição química próxima às nominais e exibiram tamanho médio de partícula ˂ 7 μm. Uma mudança no perfil das curvas de DSC em relação a Tg e Tc do biovidro pode ser observada devido a adição de Nb2O5 na composição dos biovidros. Em seguida, diferentes tratamentos térmicos (500 – 1000 ºC) foram realizados a fim de estudar o efeito da adição de Nb2O5 nas propriedades estruturais do biovidro BG45S5 durante o processo de calcinação. Com este objetivo, as seguintes investigações foram realizadas: difratometria de raios-X (DRX), espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) e espectroscopia RAMAN. O teste de redução do brometo de [3-(4,5-dimetiltiazol- 2-il)-2,5-difeniltetrazólio] (MTT) foi realizado para escolha da melhor composição para a fabricação dos arcabouços. Os biovidros apresentaram característica vítrea após o processo de síntese, assim como a formação de suas principais fases cristalinas: Na2CaSi2O6 e NaNbO3 após o tratamento térmico. As espectroscopias FTIR e Raman permitiram um entendimento detalhado da estrutura dos biovidros. Para os BGNb’s, o octaedro de NbO6 entra na rede silicato, partilhando os seus vértices com os tetraedros de silício para formar cadeias O-Si-O-Nb-O-Si-O. Os resultados dos estudos in vitro com os biovidros sobre a viabilidade dos osteoblastos mostram diferenças significativas entre o BG45S5 e BGNb’s. O biovidro BGNb10 apresentou melhor viabilidade celular comparado ao BG45S5 e ao BGNb5. Assim,arcabouços de biovidro BG45S5 e BGNb10 foram preparados pelo método de gelcasting, onde diferentes quantidades de agente espumante (0,1, 0,2 e 0,3% em massa) foram testadas. Os arcabouços obtidos foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura (MEV), microtomografia de raios-X, difratometria de raios-X (DRX), resistência mecânica à compressão e ensaios biológicos in vitro. Os arcabouços produzidos apresentaram estruturas macroporosas, com poros interconectados e esféricos. Os arcabouços de biovidro BG45S5 mostraram porosidade entre 70,7 ± 0,8 – 86,0 ± 1,2 % e resistência à compressão de 1,22 ± 0,7 e 0,78 ± 0,4 MPa, enquanto os arcabouços de biovidro BGNb10 apresentaram porosidade de 89,2 ± 1,4 % e resistência à compressão de 0,18 ± 0,03 MPa. Nos estudos biológicos in vitro, todos os arcabouços mostraram citocompatibilidade para células osteoblásticas humanas e propriedades bioativas usando o ensaio de imersão em fluído corporal simulado (FCS). Porém os arcabouços de biovidro BGNb10 apresentam uma tendência para maior atividade de fosfatase alcalina (ALP) e degradação superior aos arcabouços de biovidro BG45S5. Sendo assim, a avaliação biológica sugere uma viável aplicação dos arcabouços macroporosos de biovidro BGNb10 para aplicações na regeneração do tecido ósseo.
Keywords Scaffolds
Bioglass
Tissue Engineering
Niobium Oxide
Gelcasting Method
Bioactivity.
Arcabouços
Biovidro
Engenharia Tecidual
Óxido De Nióbio
Método De Gelcasting
Bioatividade.
Language Portuguese
Date 2019-02-18
Research area Materiais E Processos Para Aplicações Industriais
Knowledge area Ciência, Engenharia E Tecnologia De Materiais
Publisher Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP)
Extent 117 p.
Origin https://sucupira.capes.gov.br/sucupira/public/consultas/coleta/trabalhoConclusao/viewTrabalhoConclusao.jsf?popup=true&id_trabalho=7634060
Access rights Closed access
Type Thesis
URI https://repositorio.unifesp.br/handle/11600/59951

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