Desenvolvimento de compósitos de base dextrano para regeneração óssea

Abstract

Nowadays, bone infections due to diseases or injuries are a major problem, and the existing methods to treat them present some gaps and have several associated problems. In the case of auto and allografts, the mains problems are lack of donors and the risk of infections. While, in the case of implants and bone substitutes, the rejection is the main obstacle. The field of Tissue Engineering presents alternatives, such as scaffolds, to promote regeneration of injured tissues. Despite the advantages of these materials, most of them have an invasive surgical procedure associated. In order to avoid these problems, the main focus of this thesis is the development of scaffolds for bone regeneration, in the form of injectable hydrogels, which allow the regeneration of bone as they degrade and do not involve invasive procedures. Throughout this work, injectable hydrogels will be developed based on two natural polymers, dextran and gelatin, along with the use of two inorganic compounds, calcium β-triphosphate and nanohydroxyapatite, to reinforce the mechanical properties. In order to understand the influence of some parameters on formulation, different compositions were tested, varying the amount of crosslinker and the presence of inorganic compounds in the polymeric matrix. The developed material was later characterized to evaluate the necessary requirements for the intended application. FTIR and NMR analysis were performed to chemically characterize the material and to verify the chemical modification of the polymers. Taking into account the requirements for the intended application, the swelling capacity of the material was evaluated, as well as its degradation in a simulated physiological environment. To evaluate the influence of the different composition materials in mechanical properties, compression tests were performed. Vancomycin was incorporated into the polymeric matrix to assist the regeneration process, and the drug release profile was evaluated. The biocompatibility of the material was evaluated through MTS assay, using osteoblasts. The results showed that the synthesis of dextran-based hydrogels was successful, unlike gelatin-based hydrogels. In general, the hydrogels presented a suitable degradability, about one month, which are in line with the average time of the bone regeneration process. The compression tests gave favourable values for Young’s modulus (200-300 kPa), however they showed come variability due to the geometry of the sample used in the analysis. The drug release profile showed an initial burst release of around 50-80%, which makes longstanding treatment difficult, but it can facilitate the prevention of infections in the initial period. Regarding the material’s biocompatible, the results obtained showed some cytotoxicity which could be associated with AAD.

As infeções ósseas derivadas de doenças ou de lesões constituem um problema na atualidade, e os métodos para as tratar têm algumas lacunas e alguns problemas relacionados. No caso dos auto e aloenxertos, os principais problemas são a falta de dadores e o risco de infeções. Enquanto que no caso dos implantes e substitutos ósseos, a rejeição é o principal obstáculo. O campo da Engenharia de Tecidos apresenta alternativas, como scaffolds com vista a promover a regeneração dos tecidos lesionados. Apesar das vantagens destes materiais, a maioria deles têm associado um procedimento cirúrgico invasivo. De modo a contornar estas questões, o principal foco da presente dissertação é o desenvolvimento de scaffolds para regeneração óssea, sob a forma de hidrogéis injetáveis, que possibilitem a regeneração do tecido ósseo à medida que se degradam, e que não envolvam procedimentos invasivos. Ao longo deste trabalho serão desenvolvidos hidrogéis injetáveis a partir de dois materiais de base natural, o dextrano e a gelatina, e ainda a utilização de dois compostos inorgânicos, β-trifosfato de cálcio e nano hidroxiapatite, para reforço das propriedades mecânicas. De modo a compreender a influência de alguns parâmetros na formulação, serão testadas várias composições variando a quantidade de reticulante e a presença de inorgânicos na matriz polimérica. Para compreender se o material desenvolvido apresenta as características necessárias para a aplicação em vista, este foi submetido a métodos de caracterização. Foram realizadas análises de FTIR (Infravermelho por Transformada de Fourier) e RMN (Ressonância Magnética Nuclear) para caracterizar quimicamente o hidrogel e para verificar a modificação química dos polímeros. Tendo em conta os requisitos para a aplicação em vista, foi avaliada a capacidade de inchaço do hidrogel, assim como a sua degradação em ambiente fisiológico simulado. De modo a auxiliar o processo de regeneração, foi incorporada Vancomicina na matriz polimérica e posterior avaliação do perfil de libertação da mesma. A biocompatibilidade do material foi avaliada através do teste MTS ((3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-5-(3-carboxymethoxyphenyl)-2-(4-sulfophenyl)-2H-tetrazolium), com osteoblastos. Por fim, para avaliar a influência das várias composições do material nas propriedades mecânicas, foram realizados testes de compressão.Os resultados obtidos mostraram que a síntese de hidrogéis à base de dextrano foi bem sucedida, ao contrário dos hidrogéis à base de gelatina. De modo geral, os hidrogéis obtidos apresentaram uma degradabilidade adequada, cerca de um mês, o que coincide com o tempo médio do processo de regeneração óssea. Os testes de compressão originaram valores favoráveis para o módulo de Young (200-300 kPa), contudo apresentaram alguma variabilidade devido à geometria da amostra. Nos testes de libertação obteve-se um perfil com um burst inicial entre 50 e 80% do fármaco, o que dificulta um tratamento prolongado, mas pode facilitar a prevenção de infeções no período inicial. Relativamente à biocompatibilidade do material, os resultados mostraram alguma citotoxicidade, o que sugere que tal seja devido à influência do AAD.