Nanocompósitos de PMMA/HA/grafeno para aplicações biomédicas

Abstract

Os cimentos ósseos à base de PMMA para aplicações em artroplastia da anca apresentam como grande limitação o facto do seu constituinte principal ser um elemento bioinerte o que leva à falta de integração entre as interfaces cimento ósseo/tecido ósseo, comprometendo assim o desempenho mecânico da prótese ortopédica ao longo do tempo. Esta dissertação tem como objetivo principal a preparação de novas formulações de cimentos ósseos com a capacidade de estabelecer interações com os tecidos vivos circundantes. De modo a melhorar a bioatividade do sistema e facilitar a sua osseointegração, os cimentos ósseos comerciais foram reforçados com cargas significativas de HA. No entanto o recurso a elevadas cargas de HA (~60% m/m) no cimento ósseo promove debilidades do ponto de vista estrutural, levando a uma baixa resistência mecânica do material final. No sentido de ultrapassar esta limitação, foram inseridas nanoestruturas de carbono (GO ou CNTs) em baixas percentagens na matriz polimérica por forma a maximizar a sua performance mecânica através da perfeita integração de todos os componentes. A primeira fase deste trabalho consistiu no desenvolvimento de metodologias que permitissem a síntese de GO através da exfoliação química da grafite em solução aquosa. Os resultados obtidos demonstraram a obtenção de folhas de GO em larga escala e com número de camadas uniforme. A funcionalização orgânica superficial via ATRP do GO obtido, com cadeias de PMMA possibilitou o desenvolvimento de novos materiais nanocompósitos, no entanto alguns fatores de natureza tecnológica inviabilizaram o seu uso como agente de reforço na matriz idealizada. O desenvolvimento de novas formulações de cimentos ósseos consistiu numa matriz de PMMA/HA (1:2 (m/m)) reforçada com pequenas percentagens de GO ou CNTs (0,01, 0,1, 0,5 e 1,0% m/m). A síntese destes materiais nanocompósitos resultou da combinação de diversas técnicas: ultrassons, granulação por congelamento e liofilização. A análise estrutural dos nanocompósitos obtidos demonstrou a eficácia da metodologia desenvolvida na homogeneização de todos os elementos do sistema. Os estudos desenvolvidos após a conformação e caracterização estrutural dos novos materiais nanocompósitos permitiram verificar que as nanoestruturas de carbono apresentavam efeitos adversos na polimerização via radicalar do PMMA. A análise da fração orgânica permitiu verificar a presença de espécies oligoméricas o que reduziu significativamente o comportamento mecânico dos nanocompósitos. Através do estudo do aumento da concentração das espécies radicalares iniciais foi possível suplantar este problema e tirar o máximo rendimento dos agentes de reforço, tendo-se destacado os nanocompósitos reforçados com GO. A validação do ponto de vista mecânico das novas formulações de cimentos ósseos recaiu sobre o procedimento descrito na norma europeia ISO 5833 de 2002 – Implantes para cirurgia – cimentos acrílicos, tendo sido realizados os testes de compressão e de flexão. A avaliação biológica do comportamento dos cimentos ósseos assentou em duas abordagens complementares: estudos de mineralização em SBF e estudos de biocompatibilidade em meios celulares. Após a incubação das amostras em SBF ficou demonstrada a excelente capacidade para promoverem a integração de uma camada apatítica. Através de estudos celulares com Fibroblastos L929 e Osteoblastos Saos-2, nos quais foram avaliados a proliferação celular, viabilidade celular, espécies reativas de oxigénio, apoptose e morfologia celular, foi possível verificar bons níveis de biocompatibilidade para os materiais devolvidos.

The PMMA based bone cements used for application in hip replacement surgery presents a huge limitation because its principal component is bioinert, which causes lack of integration between cement/bone tissue interfaces, thus compromising the mechanical performance of the orthopedic prosthesis over time. The main objective of this work is the preparation of new bone cements formulations with the ability to establish interactions with the surrounding living tissue. In order to improve the bioactivity of the system and to enable osseointegration, commercial bone cement has been reinforced with significant loads of HA. However the use of high loads of HA (~ 60% wt/wt) promotes bone cement weaknesses from the structural point of view, leading to low mechanical strength of the final material. To overcome this limitation, small percentages of carbon nanostructures were added (GO or CNTs) to the polymer matrix in order to maximize its mechanical performance through seamless integration of all the components. The first part of this work was dedicated to the development of an experimental methodology for the synthesis of GO through the chemical exfoliation of graphite in aqueous solution. Good quality GO nanosheets were produced in large scale and with uniform number of layers. The organic surface functionalization of GO with PMMA chains via ATRP was further investigated allowing the development of new nanocomposite materials; however some technological factors hampered its use as a reinforcing agent in the idealized matrix. The development of new formulations of bone cements consisted in the preparation of a matrix of PMMA/HA (1:2 (wt/wt)) reinforced with small percentages of GO or CNTs (0.01, 0.1, 0.5 and 1.0% wt/wt). The experimental preparation of such nanocomposite materials resulted from the combination of several techniques: ultra-sonication, freeze granulation and freeze-drying. Structural analysis of the nanocomposites demonstrated the efficacy of the developed methodology in the homogenization of all the constituents of the system. The structural characterization performed after bone cement specimens shape pointed out that the carbon nanostructures presence caused adverse effects on the radical polymerization of PMMA. The analysis of the organic fraction showed the presence of oligomeric species which significantly reduced the mechanical behavior of the nanocomposites. To overcome this problem and get the maximum yield of the reinforcing agent’s presence, the rational increase of the initial radical species concentration in the mixture was investigated. This approach was well succeed having been highlighted the nanocomposites reinforced with GO. The validation of the mechanical standpoint of the optimized new bone cements formulations followed the procedure described in European Standard ISO 5833 2002 - Implants for surgery - acrylic resin cements, having been performed the compression and bending tests. The evaluation of the biological behavior of bone cements relied on two complementary approaches: mineralization studies in SBF medium and biocompatibility studies in cellular medium. After samples incubation in SBF solution the excellent ability of the new cements to promote the integration of new calcium phosphate layer was demonstrated. Cell culture studies with fibroblasts L929 and osteoblasts Saos-2, where cell proliferation, cell viability, reactive oxygen species, apoptosis and cell morphology were evaluated, showed high levels of biocompatibility for the developed materials.