Ready to use injectable bone substitutes

Abstract

In recent years, the development and innovation of new bone substitutes has revolutionized the lives of millions of patients. The aim of this work is the development and characterization of a bioactive, injectable and ready-to-use system (also called putty or premixed cement) for bone regeneration. The solid phase is constituted by beta-tricalcium phosphate (β-TCP), FastOs® bioglass (FastOs® BG) and monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) powders, while the liquid phase comprises glycerol (G). The synthesis of β-TCP powder was obtained by precipitation reactions followed by heat-treatment; FastOs® BG was obtained by melt-quenching. The characterization of the obtained powders was made through X-ray diffraction (XRD) and measurement of the mean particle sizes and particle size distribution. The putty was prepared by mixing the solid and liquid phases and placed in syringes with a screw cap. Regarding clinical application, injectability, setting time (ST) and mechanical strength were investigated to characterize the putty. Structural analyses of the putty were also performed by XRD, Fourier Tranform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Scanning Electron Microscopy (SEM). The putty has a solid/liquid weight ratio (S/L) of 3.3, mean ST of ~25 min, ~96% of injectability and a maximum compressive strength of 6 MPa. Therefore, the putty exhibited excellent injectability results, absence of filter pressing effect and acceptable mechanical properties. The structural analysis of the hardened cements revealed the formation of monetite crystals covered by an amorphous apatitic layer after immersion in PBS and water. The results are encouraging and support the conclusion that ready-to-use injectable bone substitutes have excellent handling properties to be used clinically. In accordance with the Directive 93/42/EEC the putty is considered a class III medical device. In order to pave the way towards its commercial release and in order to meet the essential requirements set out in Annex I of the Directive 93/42/EEC, a clinical evaluation has been carried out.

Nos últimos anos, o desenvolvimento e a inovação de novos substitutos ósseos tem revolucionado a vida de milhões de doentes. O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento e caracterização de um sistema bioativo, injectável e pronto-a-usar (putty) para regeneração óssea. A fase sólida é constituída por pós de fosfato tricálcico beta (β-TCP), biovidro FastOs (FastOs®BG) e fosfato monocálcico monohidratado (MCPM), enquanto a fase líquida é o glicerol (G). A síntese dos pós de β-TCP foi obtida por reações de precipitação seguida de tratamento térmico; os pós de FastOs®BG foram obtidos por fusão e arrefecimento em água fria (fritagem) (melt-quenching). A caracterização dos pós foi feita por difracção de raios-X (XRD) e medição dos tamanhos de partícula. O sistema injectável pronto-a-usar foi preparado através da mistura das fases sólida e líquida e colocado em seringas seladas com tampa roscada. Do ponto de vista de aplicação clínica, o sistema foi caracterizado tendo em conta a sua injectabilidade, tempo de presa (setting time, ST) e resistência mecânica. A análise estrutural do sistema também foi realizada, através de XRD, espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e microscopia eletrónica de varrimento (SEM). O sistema injectável pronto-a-usar tem uma razão em peso sólido/líquido (S/L) de 3,3, um ST médio de ~25 min, ~96% de injectabilidade, e 6 MPa de resistência máxima à compressão. Deste modo, o sistema injetável demonstrou excelentes resultados de injectabilidade, tendo-se verificado ainda a ausência do efeito de filter pressing e propriedades mecânicas aceitáveis. A análise estrutural dos cimentos endurecidos revelou a formação de cristais de monetite recobertos por uma camada apatítica amorfa após imersão em PBS e em água. Os resultados obtidos são promissores e permitem concluir que o sistema injetável pronto-a-usar possui excelentes propriedades de manipulação do ponto de vista clínico. De acordo com a Directiva 93/42/CEE o sistema injetável é considerado um dispositivo médico de classe III. Com o objectivo de contribuir para o seu processo de lançamento comercial e seguindo os requisitos essenciais estabelecidos no anexo I da Directiva 93/42/CEE foi elaborado um relatório tendo em conta a avaliação clínica do sistema injectável.