Cements of doped calcium phosphates for bone implantation

Abstract

O principal objectivo deste estudo foi o desenvolvimento de cimentos à base de fosfatos de cálcio dopados com Mg, Sr e Zn, para aplicações clínicas. A síntese dos pós foi obtida através de reacções de precipitação, seguido de tratamento térmico de forma a obter as fases mais apropriadas, a (alpha) e b (beta)-TCP. A caracterização dos pós envolveu a quantificação de fases e o refinamento estrutural de fases através da análise de difracção de raios-X por refinamento de Rietveld, bem como, análise da área superficial por BET, e respectivos tamanhos de partícula. Os cimentos foram preparados através da mistura dos pós com meios líquidos diferentes, usando ácido cítrico como acelerador de presa, e o polietilenoglicol (PEG) e o hidroxil propilmetilcelulose (HMPC) como agentes gelificantes. A formação da brushite foi um dos produtos resultantes obtidos da hidratação dos cimentos. Do ponto de vista de aplicação clínica, os cimentos foram caracterizados em termos de presa, injectabilidade, análise calorimétrica e resistência mecânica. Os presentes resultados demonstraram que a incorporação de iões nos cimentos levou a uma melhoria significativa das propriedades destes quando comparados com TCP puro. Os resultados obtidos demonstraram ainda que o tempo inicial de presa tende a decrescer na presença de modificadores reológicos, uma vez que estes aumentam a viscosidade das pastas, e aumenta com o acréscimo da razão L/P, tendo sido considerada a gama de 0.30-0.34 mL g-1 como aceitável para manusear as pastas. As pastas cimentícias apresentaram uma boa injectabilidade, nomeadamente o seu comportamento após extrusão, com aplicação de uma força máxima de 100 N. Investigou-se ainda, com estes testes, a ausência do efeito de “filter-pressing” e que as pastas foram totalmente expelidas para uma razão L/P de 0.36 mLg-1. Os testes de calorimetria isotérmica demonstraram que as pastas apresentam reacções exotérmicas, referentes à dissolução dos pós de partida e à formação de fases intermédias; e à nucleação e crescimento da brushite. Resistências à compressão dos cimentos estudados, após imersão numa solução de PBS durante 48h situam-se entre 1-30 MPa, valores reportados para o osso trabecular. Testes de citotoxicidade, bioactividade e biocompatibilidade dos cimentos foram obtidos através de testes de culturas celulares, mostrando a nãotoxicidade destes. A biocompatibilidade in vivo e a reabsorção dos cimentos foram avaliadas em estudos histológicos e histomorfométricos de secções descalcificadas obtidas através de ensaios de experimentação animal, usando o porco como modelo. Os resultados mostraram que os cimentos implantados são biocompatíveis e osteocondutivos, sem evidência de reacções infecciosas, e portanto, bons candidatos para aplicação como substitutos ósseos.

The main objective of this study was the development of cements based on calcium phosphates doped with Mg, Sr and Zn, for clinical applications. Powder synthesis was obtained through precipitation reactions, followed by heat treatment in order to obtain appropriate phases, a (alpha) and b (beta)-TCP. The cements were prepared through mixing the powders with different liquids, using citric acid as setting accelerator, and polyethyleneglycol and hydroxyl propylmethylcellulose as gelling agents. Brushite was the end product of the hydration reaction. Injectability and setting behaviour were accessed through rheological measurements, extrusion, calorimetric analysis, Vicat and Gilmore needles. Phase quantification and the structural refinement of powders and cements were determined through X-ray diffraction with Rietveld refinement, as well as, BET specific surface area and particle size analysis. Mechanical strengths of wet hardened cements were evaluated. The results obtained showed that the incorporation of ions into cements led to a significant improvement of their overall properties. Initial setting time increased in the presence of rheological modifiers due to their specific roles at the solid/liquid interface and with increasing L/P ratio. Acceptable workability pastes were obtained for L/P ratios in the range of 0.30-0.34 mL g-1. The cement pastes presented good injectability even under a maximum applied force of 100 N. Filter pressing effects were absent, and all cement pastes could be fully injected for LPR > 0.36 mL g-1. Isothermal calorimetry revealed that hydration reactions produce exothermic effects due to: (i) dissolution of the starting powders and formation of intermediate phases; and (ii) nucleation and growth of brushite crystals. The intensity of the exothermic effects depended on doping element, being stronger in the case of Sr. Wet compressive strength of the cement specimens (after immersion in PBS solution for 48 h) was in the range of values reported for trabecular bone (10-30 MPa). Cell cultures used to evaluate citotoxicity, bioactivity and biocompatibility of cements revealed no toxic effects. The biocompatibility in vivo and cements resorption were evaluated using a pig model through histological and histomorphometric studies of decalcified sections. The results show that the implanted cements are biocompatible and osteoconductive, without foreign body reaction. These properties make them good candidates for applications as bone substitutes.