Biocompatible polymeric coatings for bone tissue regeneration

Abstract

Um dos grandes desafios da investigação biomédica é ultrapassar as taxas de rejeição de próteses implantadas melhorando as suas propriedades como biomateriais, garantindo assim maior qualidade de vida aos pacientes. Grande parte destas próteses é constituída por componentes metálicas que, por serem inertes, surge uma necessidade de as melhorar. Uma das soluções reside no revestimento do metal por um polímero, de preferência com capacidade de induzir a regeneração óssea. Neste trabalho testou-se a adesão entre o aço 316L, material muito utilizado como biomaterial, e o ácido poli(L-láctico) (PLLA), um polímero, biocompatível, de biodegradação controlável, bioabsorvível, piezoeléctrico e aprovado pela Food and Drug Administration (FDA). O filme de PLLA foi depositado no aço por spin-coating e procedeu-se à investigação do efeito de diferentes variáveis na adesão, nomeadamente tratamento físico de superfície (por polimento), tratamento químico de superfície (por silanização), peso molecular do PLLA, cristalinidade do filme, espessura, e imersão numa solução tampão de fosfatos (PBS). A adesão entre os dois materiais foi estudada utilizando um teste qualitativo, o teste da fita-cola, seguindo a norma ASTM D3359. Observou-se que os filmes preparados da solução de PLLA de menor peso molecular apresentaram os melhores resultados no teste da fita-cola, principalmente quando depositada nas amostras de aço com maior rugosidade. O efeito da espessura do filme, foi testado com diferentes concentrações da solução de PLLA de menor peso molecular, concluindo-se que quanto menor a concentração da solução de polímero, menor a espessura do filme e melhor a sua adesão ao substrato. Por conseguinte, estas condições de polimento (P180 e P400) foram selecionadas para prosseguirem para caracterização adicional: cristalização e posterior ensaio de degradação em fluido sintético (PBS), com a duração de uma semana, um mês e dois meses. Os resultados apontam para uma significativa perda de adesão, uma vez que a adesão do filme ao substrato resultou enfraquecida após a imersão. Ensaios preliminares de silanização dos substratos de aço não revelaram melhorias significativas da adesão dos filmes ao substrato comparativamente aos obtidos por tratamento físico da superfície. Em conclusão, os resultados deste trabalho mostram que é possível produzir revestimentos de PLLA sobre aço 316L e controlar a adesão do filme de PLLA ao substrato de aço através de tratamentos de superfície e de variações nas características do filme. Assim a combinação destes dois materiais parece ser adequada para potenciais aplicações biomédicas.

One of the major challenges in biomedical research is to overcome the rejection rates of implanted prostheses improving their properties as biomaterials, thus ensuring greater quality of life for the patients. Many of this prosthesis include inert metallic components, hence the necessity of improvement. One of the solutions lies in the polymeric coating, preferably one with the ability to induce bone regeneration. In this study we tested the adhesion between the 316L stainless steel, a material widely used as a biomaterial, and poly (L-lactic acid) (PLLA), a polymer, biocompatible, with controlled biodegradation, bioabsorbable, piezoelectric and approved by the Food and Drug Administration (FDA). The PLLA film was deposited onto the stainless steel samples by spin-coating and proceeded to the investigation of the effect of different variables in the adhesion, namely substrate surface physical treatment (by grinding), substrate surface chemical treatment (by silanization), PLLA molecular weight, film crystallinity, film thickness and immersion into phosphate buffered saline (PBS) solution. The adhesion between both materials was studied using a qualitative test, the tape test, following a standard (ASTM D3359). It was observed that films prepared with the lower molecular weight PLLA solution presented the best results in the tape test, especially when deposited onto the substrates with higher roughness. The effect of film thickness was tested with different solution concentrations of the lower molecular weight PLLA solution, concluding that the lower the solution concentration, the thinner the film and the better the adhesion of the film to the substrate. Therefore, these polishing conditions (P180 and P400) were chosen for further characterization: crystallization and subsequent degradation assay in a synthetic fluid (PBS) for one week, one month and two months. These results point at a significant loss of adhesion, since the adhesion of the film to the substrate after immersion resulted weakened. Preliminary tests of silanization of steel substrates showed no significant improvements in the film adhesion to the substrate, when compared to the results already obtained only with a surface physical treatment. In conclusion, the results obtained during this work show that it is possible to produce PLLA coatings on 316L stainless steel substrates and to control the adhesion of PLLA films to substrate through surface treatments and variations in the film characteristics. Therefore, the combination of these materials appears to be potentially suitable for biomedical applications.