Desenvolvimento de membranas à base de quitosano para aplicação na região lombar

Abstract

Nos últimos anos com o aumento da esperança média de vida do ser humano, tem-se associado problemas na coluna vertebral, que têm conduzido à investigação de dispositivos médicos inovadores na área da Engenharia de Tecidos para prática clínica. Contudo, o ambiente natural do tecido ósseo é bastante complexo de ser recriado e não existe nenhum material desenvolvido que possa reproduzir completamente a estrutura original do osso. A utilização de estruturas tridimensionais porosas, biodegradáveis e biocompatíveis nesta área – scaffolds – neste caso denominadas de membranas, tem sido vastamente explorada. Estes scaffolds podem ser produzidos a partir de polímeros naturais, sintéticos, cerâmicos e metais. No entanto, a fim de mitigar desperdícios resultantes das indústrias alimentares e preservar o meio ambiente, tem sido encarado como dever cívico otimizar o uso dos produtos provenientes do meio natural. O quitosano é um polissacarídeo de origem natural, encontrado no exosqueleto de crustáceos marinhos e na parede celular dos fungos, com uma enorme popularidade na produção de materiais tridimensionais para Engenharia de Tecidos. Este polímero natural apresenta várias vantagens na produção destas estruturas na regeneração e reparação óssea: biodegrabilidade, biocompatibilidade, não toxicidade e propriedades antimicrobiais.O presente estudo teve como objetivo produzir membranas porosas à base quitosano com incorporação de fosfatos de cálcio (hidroxiapatite e β-fosfato tricálcico), para aplicação em cirurgias de fusão lombar posterolateral, tendo por base a informação disponível na literatura existente. Numa primeira fase, procedeu-se à preparação das membranas com o quitosano e outro biopolímero (alginato de sódio), visto estes dois polímeros se complementarem. Noutra segunda fase, foi adicionada a algumas membranas os fosfatos de cálcio, de modo a que no final se possa analisar a diferença entre membranas com ou sem estes cerâmicos. Todos os grupos de membranas foram congelados, liofilizados e posteriormente testados química e fisicamente. Os quatro grupos de membranas (AQ - membrana polimérica; B, H e BH - membranas compósitas) foram objeto de caraterização pormenorizada, designadamente no que respeita à sua porosidade através do método de etanol, degradação em água destilada, espetroscopia de aniquilação de positrões (EAP) e microscopia eletrónica de varrimento (MEV); à perda de massa, estabilidade térmica através da análise termogravimétrica (TGA) e composição química através da difração de raio-X (DRX) e espetroscopia de infravermelhos por transformada de Fourier (FTIR). Os resultados obtidos puderam aferir que em todas as diferentes membranas foram encontrados microporos, mesoporos e macroporos. A reticulação neste trabalho também teve um contributo importante, sendo que cooperou na obtenção de poros com menores dimensões e maior regularidade na membrana AQ. Também foi possível observar o efeito dos cerâmicos nas membranas compósitas, tanto a nível morfológico como químico. Estas membranas apresentam poros mais heterogéneos e densos, devido à deposição dos fosfatos de cálcio na parede dos poros. No entanto, os resultados são muito preliminares para a aplicação em causa e necessitam ainda de um estudo intensivo na área biológica e mecânica.

In recent years, the increase in human life expectancy and the back problems that areassociated with it, have led to the investigation of innovative medical devices in the TissueEngineering field for clinical practice. However, the natural environment of the bone tissue isvery complex to be recreated and there isn’t a developed material that can reproduce thestructure of bone origin.The use of three-dimensional porous, biodegradable and biocompatible structures in this field– scaffolds – in this case called membranes, has been extensively explored. These scaffoldscan be produced from natural polymers, synthetics, ceramics and metals. Though, in order tomitigate waste resulting from food industries and preserve the environment, it has been seenas a civic duty to optimize the use of products from the natural environment. Chitosan is apolysaccharide of natural origin, found in the exoskeleton of marine crustaceans and in the cellwall of fungi, with enormous popularity in the production of three-dimensional materials forTissue Engineering. This natural polymer has several advantages in the production of thesestructures in bone regeneration and repair: biodegradability, biocompatibility, non-toxicity andantimicrobial properties.The present study aimed to fabricate porous membranes based on chitosan with theincorporation of calcium phosphates (hydroxyapatite and β-tricalcium phosphate), forapplication in posterolateral lumbar fusion surgeries, based on information available in theexisting literature. In the first step, the membranes were prepared with chitosan and anotherbiopolymer (sodium alginate), as these two polymers complement each other. In the secondstep, calcium phosphates were added to some membranes, so that at the end it can bepossible to analyze the difference between membranes with and without these ceramics. Allgroups of membranes were frozen, lyophilized and subsequently tested chemically andphysically.The four groups of membranes (AQ - polymeric membranes; B, H and BH - compositemembranes) were object of detailed characterization, namely with regard to their porositythrough the ethanol method, degradation in distilled water, positron annihilation spectroscopy(PAS) and scanning electronic microscope (SEM); lost mass and thermal stability throughthermogravimetric analysis (TGA); and chemical composition through X-ray diffraction (XRD)and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The results obtained showed thatmesopores, micropores and macropores were found in all the different membranesmicropores. The crosslinking in this work also had an important contribution, being that itcooperated in obtaining pores with smaller dimensions and greater regularity in the AQmembrane. It was also possible to observe the effect of ceramics on composite membranes,both morphologically and chemically. However, the results are very introductory for theapplication in question and still require research in the biological and mechanical fields.