Hybrid organic-inorganic borosilicate materials by sol-gel for bone tissue engineering

Abstract

Polydimethylsiloxane (PDMS) - SiO2 - CaO based hybrid materials, prepared by sol-gel, have proven to be very promising materials in tissue engineering applications and drug delivery systems. These hybrid materials present biocompatible, osteogenic and bioactive properties, that will support osteoblast attachment and bone growth. The incorporation of therapeutic ions, such as boron (B), is known to stimulate bone regeneration and angiogenesis, which makes it an alternative to the use of vascular growth factors, due to its low cost, high stability and potentially greater safety. The combination of such ions in hybrid materials prepared by the sol-gel method is a novelty. The main purpose of this work was to produce, by sol-gel method, bioactive and biocompatible hybrid materials within the system PDMS-SiO2-B2O3-CaO capable of releasing calcium and boron to stimulate angiogenesis. Another purpose was to achieve a better understanding of the effect of boron in the structure and microstructure of this material. For that, five different compositions with different amounts of boron were prepared using the same precursors and sol-gel route, resulting in different monolithic materials, with distinct structures and microstructures. The material’s structure was analysed by Fourier Transform Infrared Spectrometry (FT-IR) and solid state Nuclear Magnetic Resonance (NMR) techniques, that expose the presence of hybrid bonds (Si-O-Si) between organic (PDMS) and inorganic phase (TEOS), as well as borosiloxane bonds (B-O-Si). From the results of nuclear magnetic resonance of 11B it was found that the presence of the modifier ion (calcium) in the compositions changes the boron coordination, from trigonal (BO3) to tetrahedral (BO4). These groups are attached to silicon. Thus, it was verified that the increase of boron amount in the system led to a decrease in the specific surface area (SSA), obtained by BET method, as well as the mesoporosity of the material. On the other hand, SEM micrography’s showed an increase in macroporosity with the boron concentration. The bioactivity tests performed in vitro by immersion of the materials in Kokukos’s simulated body fluid (SBF), demonstrated that the material was able to form a layer of calcium phosphate on its surface, and to release therapeutic ions in the supernatant liquid. Thus, this suggests the potential of these materials to be used in the field of tissue regeneration. The relationship among structure, microstructure and ion release were discussed aiming the identification of the formulations that will continue for further studies with specific angiogenesis-related cell lines

Materiais híbridos baseados no sistema polidimetilsiloxano (PDMS)-SiO2-CaO, preparados por sol-gel, têm-se revelado um grupo de biomateriais promissores em várias aplicações desde a regeneração de tecidos ósseos a sistemas de libertação de fármacos. Estes híbridos são biocompatíveis e possuem propriedades bioativas e osteogénicas que possibilitam a fixação dos osteoblastos e o crescimento do tecido ósseo. Para além do cálcio, a incorporação de iões terapêuticos, como o boro (B), permite estimular a regeneração óssea e angiogénese, tornando-se uma alternativa ao uso de fatores de crescimento angiogénicos. A combinação destes iões no material híbrido orgânico-inorgânico preparado pelo método sol-gel é uma novidade. Desta forma, o presente trabalho teve como objetivo produzir um material híbrido bioativo e biocompatível, baseado no sistema PDMS-SiO2-B2O3-CaO capaz de libertar iões de cálcio e boro a fim de estimular a angiogénese. Com isto surgiu a necessidade de entender o efeito do boro e do cálcio na estrutura e microestrutura do material e, consequentemente, a influência destes na atividade biológica. Para alcançar tais objetivos, cinco composições diferentes com concentrações de boro distintas foram preparadas, usando os mesmos precursores e técnica de sol-gel. Os materiais resultantes apresentavam-se na forma de monólito e com diferentes estruturas e microestruturas entre eles. Da análise estrutural do material, que foi realizada por espectroscopia de Infravermelhos por Transformada de Fourier (FT-IR) e por Ressonância Nuclear Magnética (NMR), verificou-se a presença de ligações híbridas (Si-O-Si) entre a fase orgânica (PDMS) e a fase inorgânica (TEOS), assim como ligações características de borosiloxano (B-O-Si). A partir dos resultados de ressonância nuclear magnética do boro (11B) verificou-se que a presença do ião modificador (cálcio) nas composições faz alterar a coordenação do boro, de trigonal (BO3) para tetraédrico (BO4), e que estes encontram-se ligados ao silício. Verificou-se que o aumento da concentração de boro no sistema híbrido tem como consequência a diminuição dos valores da área superficial especifica (SSA), obtidos pela técnica de Brunauer-Emmet-Teller (BET), assim como da mesoporosidade do material. Por outro lado, as micrografias, obtidas por Microscopia Eletrónica de Varrimento (SEM), mostraram um aumento da macroporosidade com a adição do boro. Os testes de bioatividade realizados in vitro, por imersão do material num fluído corporal simulado (SBF), revelaram a capacidade do material em se degradar, libertando iões de cálcio e boro no líquido sobrenadante, assim como em depositar uma camada de fosfato de cálcio à superfície, sugerindo bioatividade. Isto sugere o potencial destes materiais híbridos para serem utilizados na área da regeneração de tecidos ósseos. A relação entre a estrutura, microestrutura e libertação iónica foram discutidas de forma a identificar as formulações que irão continuar para posteriores estudos com linhas celulares específicas relacionadas com a angiogénese