Advanced electromechanical devices for use in tissue engineering: applications in hard tissues

Abstract

The increase in life expectancy comes associated with an increased incidence of bone disease and lesions. This can become a serious threat to the quality of life of the worlds’ population, especially for older people, these problems will cause an increase in the need for bone implants. In most cases metallic implants are used and while these excel at mechanical properties, they often have lacking biological responses. The biological response of these implants can be improved by modifying them utilizing biomaterials. Poly (L-lactic acid) (PLLA) is a polymer that is US Food and Drug Administration (FDA) approved for medical uses, biocompatible and biodegradable, presenting an interesting property, piezoelectricity. This property is naturally found in the bone and is believed to play an important role in its regeneration. The piezoelectric response of PLLA is highly dependent on its crystallinity. In this work PLLA films will be used to coat stainless steel substrates, and the influence of different parameters on the film crystallization process will be studied. These variables include substrate treatment, crystallization temperature, crystallization methods, cooling rate and concentration of the PLLA solution used to produce the film. The different samples will be characterized at the different stages of the process, to have a better understanding on how the different parameters are affecting it. The understanding of the effect of the different parameters on the PLLA films would allow to tailor the properties of the PLLA film and consequently the bone implant according to the needs of a specific situation. Ultimately the films will be characterized in relation to its biological response via in-vitro and in-vivo tests. The obtained results showed that UV treatment of the substrate is superior to thermal treatment, since these samples showed no formation of chromium oxide and presented higher crystallinity. The adhesion of the films is highly influenced by its crystallization and the silanization of the substrate. The samples produced in this work are bioactive, since there was the formation of apatite in the SBF tests.

O aumento da esperança média de vida vem associado a uma maior incidência de doenças e lesões ósseas. Isto pode ser tornar uma séria ameaça à qualidade de vida da população do Mundo, especialmente para a população mais envelhecida, estes problemas vão criar uma maior necessidade de implantes ósseos. Na maior parte dos casos os implantes usados são implantes metálicos e enquanto estes apresentam excelentes propriedades mecânicas, muitas vezes apresentam uma resposta biológica insuficiente. A resposta biológica destes implantes pode ser melhorada modificando-os com biomateriais. O poli (L-ácido láctico) (PLLA) é um polímero aprovado pela US Food and Drug Administration (FDA) para usos médicos, e é também biocompatível e biodegradável, além disso apresenta também uma propriedade interessante a piezoeletricidade. Esta propriedade é encontrada naturalmente no osso e pensa-se que desempenhe um papel importante na regeneração óssea. A resposta piezoelétrica do PLLA é altamente dependente do seu grau de cristalinidade. Neste trabalho filmes de PLLA vão ser utilizados como um revestimento para substratos de aço inoxidável, onde as influências de diferentes parâmetros na cristalização do filme vão ser estudados, estas variáveis incluem tratamento do substrato, temperatura de cristalização, métodos de cristalização, taxa de arrefecimento e a concentração da solução de PLLA utilizada para preparar os filmes. As diferentes amostras vão ser caracterizadas durante as diferentes fases do processo de forma a ter uma melhor compreensão de como os diferentes parâmetros o estão a afetar. A compreensão do efeito dos diferentes parâmetros nos filmes permitirá o ajuste das propriedades do filme de PLLA e consequentemente do implante ósseo de acordo com as necessidades de situações específicas. Finalmente os filmes serão caracterizados em relação à usa resposta biológica através de testes in- vitro e in-vivo. Os resultados obtidos mostram que o tratamento UV dos substratos é superior ao tratamento térmico, visto que estas amostras não apresentam formação de óxido de crómio e apresentam uma maior cristalinidade. A adesão dos filmes é altamente influenciada pela sua cristalização e pela silanização do substrato. As amostras produzidas neste trabalho são bioativas visto que houve formação de apatite nos testes SBF.