Hybrid materials for biomedical applications

Abstract

The increased longevity of humans and the demand for a better quality of life have led to a continuous search for new implant materials. Scientific development coupled with a growing multidisciplinarity between materials science and life sciences has given rise to new approaches such as regenerative medicine and tissue engineering. The search for a material with mechanical properties close to those of human bone produced a new family of hybrid materials that take advantage of the synergy between inorganic silica (SiO4) domains, based on sol-gel bioactive glass compositions, and organic polydimethylsiloxane, PDMS ((CH3)2.SiO2)n, domains. Several studies have shown that hybrid materials based on the system PDMS-SiO2 constitute a promising group of biomaterials with several potential applications from bone tissue regeneration to brain tissue recovery, passing by bioactive coatings and drug delivery systems. The objective of the present work was to prepare hybrid materials for biomedical applications based on the PDMS-SiO2 system and to achieve a better understanding of the relationship among the sol-gel processing conditions, the chemical structures, the microstructure and the macroscopic properties. For that, different characterization techniques were used: Fourier transform infrared spectrometry, liquid and solid state nuclear magnetic resonance techniques, X-ray diffraction, small-angle X-ray scattering, smallangle neutron scattering, surface area analysis by Brunauer–Emmett–Teller method, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. Surface roughness and wettability were analyzed by 3D optical profilometry and by contact angle measurements respectively. Bioactivity was evaluated in vitro by immersion of the materials in Kokubos’s simulated body fluid and posterior surface analysis by different techniques as well as supernatant liquid analysis by inductively coupled plasma spectroscopy. Biocompatibility was assessed using MG63 osteoblastic cells. PDMS-SiO2-CaO materials were first prepared using nitrate as a calcium source. To avoid the presence of nitrate residues in the final product due to its potential toxicity, a heat-treatment step (above 400 °C) is required. In order to enhance the thermal stability of the materials subjected to high temperatures titanium was added to the hybrid system, and a material containing calcium, with no traces of nitrate and the preservation of a significant amount of methyl groups was successfully obtained. The difficulty in eliminating all nitrates from bulk PDMS-SiO2-CaO samples obtained by sol-gel synthesis and subsequent heat-treatment created a new goal which was the search for alternative sources of calcium. New calcium sources were evaluated in order to substitute the nitrate and calcium acetate was chosen due to its good solubility in water. Preparation solgel protocols were tested and homogeneous monolithic samples were obtained. Besides their ability to improve the bioactivity, titanium and zirconium influence the structural and microstructural features of the SiO2-TiO2 and SiO2-ZrO2 binary systems, and also of the PDMS-TiO2 and PDMS-ZrO2 systems. Detailed studies with different sol-gel conditions allowed the understanding of the roles of titanium and zirconium as additives in the PDMS-SiO2 system. It was concluded that titanium and zirconium influence the kinetics of the sol-gel process due to their different alkoxide reactivity leading to hybrid xerogels with dissimilar characteristics and morphologies. Titanium isopropoxide, less reactive than zirconium propoxide, was chosen as source of titanium, used as an additive to the system PDMS-SiO2-CaO. Two different sol-gel preparation routes were followed, using the same base composition and calcium acetate as calcium source. Different microstructures with high hydrophobicit were obtained and both proved to be biocompatible after tested with MG63 osteoblastic cells. Finally, the role of strontium (typically known in bioglasses to promote bone formation and reduce bone resorption) was studied in the PDMS-SiO2-CaOTiO2 hybrid system. A biocompatible material, tested with MG63 osteoblastic cells, was obtained with the ability to release strontium within the values reported as suitable for bone tissue regeneration.

O aumento da longevidade dos seres humanos e a procura de uma melhor qualidade de vida têm conduzido a uma pesquisa contínua de novos materiais para implantes. O desenvolvimento científico, juntamente com uma crescente multidisciplinaridade entre as ciências dos materiais e as ciências da vida deram origem a novas abordagens, como a medicina regenerativa e a engenharia de tecidos. A busca de um material com propriedades mecânicas próximas das do osso humano produziu uma nova família de materiais híbridos que tiram partido da sinergia entre os domínios inorgânicos de sílica (SiO4), com base em composições de vidros bioativos obtidos por sol-gel, e os domínios orgânicos de polidimetilsiloxano, PDMS ((CH3)2.SiO2)n. Vários estudos têm demonstrado que os materiais híbridos baseados no sistema PDMS-SiO2 constituem um grupo de biomateriais promissores com várias aplicações potenciais tais como a regeneração de tecido ósseo e a recuperação do tecido cerebral, passando por revestimentos bioativos e sistemas de libertação controlada de fármacos. O objetivo do presente trabalho foi preparar materiais híbridos para aplicações biomédicas com base no sistema PDMS-SiO2 e contribuir para uma melhor compreensão das relações entre as condições de processamento sol-gel, as estruturas químicas, a microestrutura e as propriedades macroscópicas. Para alcançar tal objetivo, foram usadas diferentes técnicas de caracterização: espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier, ressonância magnética nuclear no estado sólido e no estado líquido, difração de raios-X, dispersão de raios-X de baixo ângulo, dispersão de neutrões de baixo ângulo, análise da área de superfície pelo método de Brunauer–Emmett–Teller, microscopia eletrónica de varrimento e microscopia eletrónica de transmissão. A rugosidade e a molhabilidade das superfícies foram analisadas por perfilometria óptica 3D e por medidas de ângulo de contacto, respectivamente. A bioatividade in vitro foi avaliada através de testes de imersão em plasma sintético e posterior observação da superfície dos materiais e análise do líquido sobrenadante por espectrometria de emissão atômica por plasma acoplado Indutivamente. A biocompatibilidade in vitro foi avaliada usando células osteoblásticas MG63. Materiais do sistema PDMS-SiO2-CaO foram inicialmente preparados usando o nitrato como fonte de cálcio. Para eliminar os resíduos de nitrato no produto final, devido à sua potencial toxicidade, é necessária uma etapa de tratamento térmico (acima dos 400° C). A fim de aumentar a estabilidade térmica dos materiais submetidos a altas temperaturas, foi adicionado titânio ao sistema híbrido. Obteve-se assim um material híbrido contendo cálcio, sem vestígios de nitrato, mantendo-se uma quantidade significativa de grupos metilo. A dificuldade de obter amostras monolíticas de híbridos PDMS-SiO2-CaO por síntese sol-gel e posterior tratamento térmico para eliminação de nitratos, criou um novo objetivo: a procura de fontes alternativas de cálcio. Novas fontes de cálcio foram avaliadas para substituir o nitrato tendo-se escolhido o acetato de cálcio devido à sua boa solubilidade em água. Estabeleceram-se protocolos de preparação por sol-gel a partir dos quais se obtiveram amostras monolíticas homogéneas. Além de melhorar a bioatividade, o titânio e o zircónio influenciam as características estruturais e microestruturais dos sistemas binários SiO2-TiO2 e SiO2-ZrO2, bem como dos sistemas PDMS-TiO2 e PDMS-ZrO2. Neste contexto, foram estudadas diferentes condições experimentais no processo sol-gel, de modo a compreender o papel destes aditivos no sistema SiO2-PDMS. Concluiu-se que o titânio e o zircónio influenciam a cinética do processo sol-gel devido à diferente reatividade dos despectivos alcóxidos, conduzindo à obtenção de xerogéis híbridos com diferentes características e morfologias. O isopropóxido de titânio, menos reativo do que o propóxido de zircónio, foi escolhido como fonte de titânio, usado como aditivo no sistema PDMS-SiO2CaO. Dois procedimentos diferentes de preparação por sol-gel foram seguidos, utilizando a mesma composição de base e o acetato de cálcio como fonte de cálcio. Foram obtidas diferentes microestruturas muito hidrofóbicas e ambas mostraram ser biocompatíveis após serem testadas com células osteoblásticas MG63. Finalmente, foi avaliado o papel do estrôncio (conhecido nos biovidros por favorecer a formação de tecido ósseo e reduzir a sua reabsorção) no sistema híbrido PDMS-CaO-SiO2-TiO2. O material produzido revelou-se biocompatível, através de testes com células osteoblásticas MG63, e com a capacidade de libertar estrôncio dentro dos limites considerados adequados para a reparação do tecido ósseo.