Acrylic bone cements modified with bioactive and biodegradable fillers

Abstract

O cimento ósseo acrílico é o único material utilizado para a fixação de próteses em cirurgias ortopédicas, surgindo como uma alternativa às técnicas não cimentadas. Cerca de um milhão de pacientes são anualmente tratados para a substituição total da articulação do quadril e do joelho. Com a maior expectativa de vida da população e o aumento do número de cirurgias realizadas por ano espera-se que o uso do cimento ósseo aumente substancialmente. A fraca ligação do cimento ao osso é um problema comum que pode causar perda asséptica da prótese. Assim, torna-se necessário investir no desenvolvimento de cimentos ósseos alternativos que permitam promover maior estabilidade e melhor desempenho do implante. O principal objetivo desta tese foi desenvolver um cimento ósseo bioativo, capaz de ligar-se ao osso, com propriedades melhoradas relativamente aos sistemas convencionais. A preparação dos materiais foi realizada por dois processos diferentes, a polimerização por via térmica e a polimerização por via química. Inicialmente, utilizando o processo térmico, foram desenvolvidos compósitos de PMMA-co-EHA reforçados com vidro de sílica (CSi) e vidro de boro (CB) e comparados em termos do seu comportamento in vitro em meio acelular e celular. A formação de precipitados de fosfato de cálcio foi observada sobre a superfície de todos os compósitos indicando que estes materiais são potencialmente bioativos. Em relação à avaliação biológica o CSi demonstrou um efeito indutor da proliferação das células. As células apresentaram uma morfologia normal e alta taxa de crescimento quando comparadas com o padrão de cultura. Por outro lado ocorreu inibição da proliferação celular para o CB provavelmente devido à sua elevada taxa de degradação, levando a uma elevada concentraçao de iões de B e de Mg no meio de cultura. O efeito do vidro nos cimentos curados por via química, incorporando um activador de baixa toxicidade, também foi avaliado. Os resultados sugerem que as novas formulações podem diminuir o efeito exotérmico na cura do cimento e melhorar as propriedades mecânicas (flexão e compressão). Outro estudo conduzido neste trabalho explorou a possibilidade de incorporar ibuprofeno (fármaco anti-inflamatório) no cimento, dando origem a um material capaz de ser simultaneamente, bioativo e promotor da libertação controlada de fármacos. Neste contexto foi evidenciado que o desempenho do cimento desenvolvido pode contribuir para minimizar o processo inflamatório associado a uma cirurgia ortopédica. Finalmente, a fase sólida do cimento ósseo bioativo foi modificada por diferentes polímeros biodegradáveis. A adição deste enchimento deu origem a um cimento parcialmente biodegradável que pode permitir a formação de poros e o crescimento ósseo para o interior do cimento, resultando numa melhor fixação da prótese.

Acrylic bone cement is the only material currently used for anchoring the prosthesis in orthopaedic surgery, being an alternative to non-cemented techniques. About one million patients worldwide are treated annually for total replacement of hips and knee joints. With the longer life expectancy of the population, and the increasing number of surgeries performed every year, the use of acrylic bone cements is expected to rise substantially. The non bone bonding capability of the cement is a common problem which can cause aseptic loosening of the prosthesis. Thus, alternative cements must be developed to provide higher stability and better performance of the implant. The main objective of this thesis was to develop a bioactive bone cement, with bone bonding capability, and better properties than the conventional cement. Two different methods of preparation were used in this study, polymerization by chemical route (self-cured) and polymerization by thermal route (heat cured). Initially, through the thermal route, PMMA-co-EHA composites filled with a silicate glass (CSi) and a borate glass (CB) were developed and compared in terms of their in vitro behaviour, both in acellular and in cellular media. The growth of spherical calcium phosphate aggregates was observed in acellular medium on all composite surfaces indicating that these materials became potentially bioactive. Considering the biological assessment, the CSi demonstrated an inductive effect on the proliferation of cells. The cells showed a normal morphology and high growth rate when compared to standard culture plates. On the other hand, inhibition of cell proliferation occurred in the CB probably due to its high degradation rate, leading to high B and Mg ionic concentration in the cell culture medium. The effect of glass in self cured cements, incorporating an activator of reduced toxicity, was also assessed in this work. The results suggested that the new formulations may lessen the exothermal effect on curing and improve the mechanical properties (bending and compressive). Another study conducted in this thesis explores the possibility of incorporating ibuprofen (anti-inflammatory drug) into the cement, aiming the development of a composite that simultaneously show bioactive behaviour and controlled drug release . It was evidenced that, regarding the drug release, the performance of the developed cements can contribute to blunt the inflammatory process associated to an orthopedic surgery. Finally the solid phase of the bioactive self-curing acrylic cements was modified by different biodegradable polymers. The addition of the biodegradable fillers made the cement partially degradable, which could allow the formation of pores and the ingrowth of bone to the interior of the cement, resulting in a stronger fixation of the prosthesis.