PMMA-co-EHA cements for osteoprotheses

Abstract

The main purpose of this thesis was to produce new formulations of PMMA-co- EHA and study its feasibility as being an alternative to traditional PMMA bone cements. Thus, were originally produced several co-polymers of PMMA-co-EHA and its mechanical properties and in vitro behaviour were evaluated. The copolymers were obtained by radical polymerization and several formulations were produced by partial replacement of MMA (up to about 50%) for EHA. Overall, the results suggest that the partial replacement of MMA by EHA decreased the modulus of the materials and, consequently, increased its flexibility. Then, PMMA commercial beads were added to PMMA-co-EHA formulations (to get bone cement) and the general properties of the resulting bone cements were evaluated. In general, the results revealed that the partial replacement of MMA by EHA led to beneficial changes in curing parameters (there was a reduction of the peak temperature and an increase of curing/setting time), in the in vitro behaviour (the water capacity increased) and in the mechanical properties (the bending strength increased) of new cements. The in vitro cellular response of new formulations of PMMA-co-EHA was compared with that of traditional PMMA bone cement. To this end, we tested the cell adhesion and proliferation of osteoblast-like MG63 cells and human cells from bone marrow. The results revealed that both types of cells were able to attach and proliferate in both formulations. The only exception was observed for the formulation prepared with the highest percentage of EHA, where a few cells that adhere failed to proliferate. Moreover, it was found that increasing the amount of EHA in cement led to an increasing inhibition of cell growth, especially during the first week of culture. This was related to increased water uptake capacity by the new formulations and consequent release of some of its toxic components. Finally, PMMA commercial beads were partially replaced by HA particles and the influence of this substitution on the curing parameters, the mechanical properties and in vitro behaviour of the resulting composites was also evaluated. Incorporation of HA into the bone cements induced a number of significant changes in its final properties: 1) decrease the peak temperature; 2) increase of curing time, 3) increasing the value of elastic modulus accompanied by decrease of the strength/tension. This last finding was related to poor interfacial adhesion between the various components of the bone cements and a heterogeneous distribution (possible agglomeration) of HA particles.

O principal objectivo desta tese foi produzir novas formulações de PMMA-co- EHA e estudar a sua viabilidade como alternativa aos tradicionais cimentos ósseos de PMMA. Assim sendo, foram inicialmente produzidos vários co-polímeros de PMMA-co- EHA e as suas propriedades mecânicas e comportamento in vitro foram avaliados. Os co-polímeros foram obtidos por polimerização radicalar e diversas formulações foram produzidas por substituição parcial do MMA (até cerca de 50 %) por EHA. Globalmente, os resultados sugerem que a substituição parcial do MMA por EHA diminuiu o módulo de elasticidade dos materiais e, consequentemente, aumentou a sua flexibilidade. Posteriormente, foram adicionados grânulos de PMMA pré-polimerizado (para se obter um cimento ósseo) às várias formulações de PMMA-co-EHA e as propriedades gerais dos cimentos resultante foram avaliadas. De um modo geral, os resultados obtidos revelaram que a substituição parcial do MMA pelo EHA levou a alterações benéficas dos parâmetros de cura (houve uma redução da temperatura máxima de polimerização e um aumento do tempo de cura), do comportamento in vitro (verificou-se um aumento da capaciadade de retenção de água) e das propriedades mecânicas (aumento da capacidade de flexão) dos novos cimentos. A resposta celular in vitro das novas formulações de PMMA-co-EHA foi comparada com a dos cimentos tradicionais. Para o efeito, foram avaliadas a adesão e proliferação celular de células tipo-osteoblastos MG63 e de células humanas provenientes de medula óssea. Os resultados revelaram que os dois tipos de células foram capazes de aderir e proliferar em ambas as formulações. A única excepção foi observada para a formulação preparada com maior percentagem de EHA, onde as poucas células que aderiram não conseguiram proliferar. Para além deste facto, verificou-se que o aumento da quantidade de EHA nos cimentos conduziu a uma crescente inibição do crescimento celular, sobretudo durante a primeira semana de cultura. Este facto foi relacionado com a crescente capacidade de retenção de água por parte das novas formulações e consequente libertação de alguns dos seus componentes tóxicos. Por último, os grânulos de PMMA foram parcialmente substituídos por partículas de HA e a influência desta substituição nos parâmetros de cura, nas propriedades mecânicas e no comportamento in vitro dos compósitos resultantes foi também avaliada. A incorporação de HA nos cimentos induziu uma série de alterações importantes nas suas propriedades finais: 1) diminuição da temperatura máxima de polimerização; 2) aumento significativo do tempo de cura; 3) aumento do valor do módulo elástico acompanhado de uma dimuição da sua força/tensão. Este último resultado foi relacionado com a baixa adesão interfacial entre os vários componentes e com uma distribuição heterogénea (possível aglomeração) das partículas de HA.