Green Methods for the Preparation of Novel Bone Cements Incorporating Highly Porous PCL/SBA-15 Composite Biomaterials

Abstract

Um cimento ósseo é um material biocompatível endurecível usado para preencher defeitos ósseos que deve possuir características parecidas com os tecidos ósseo e dentário. Os cimentos à base de fosfatos de cálcio disponíveis revelam alta microporosidade (permite a deposição de moléculas biológicas e o escoamento de nutrientes/lixos metabólicos) e têm “parecenças” químicas à hidroxiapatite de cálcio do osso. No entanto, revelam baixa eficiência mecânica (para aplicação em áreas de carga elevada) e baixa macroporosidade (para migração de osteoblastos e consequente regeneração óssea).Diferentes formulações de cimentos à base de fosfato de cálcio/gelatina fora produzidos incorporando pedaços altamente porosos de poli(ε-caprolactona)/nanopartículas de sílica (92:8 % m/m) (aditivados com glicofurol, um agente porogénico, compatibilizante de polímero/inorgânico e plastificante) processados por uma técnica de foaming/mistura assistida por dióxido de carbono supercrítico. Estes biomateriais foram produzidos de maneira a melhorar as propriedades morfológicas (tais como área de superfície, macroporosidade e densidades aparente e real), mecânicas (módulo de Young e força de compressão à rutura) e de compatibilidade dos cimentos ósseos produzidos. A composição dos pedaços produzidos pela técnica de foaming/mistura assistida por dióxido de carbono supercrítico a serem incorporados nos cimentos à base de fosfato de cálcio/gelatina foi investigada. As propriedades morfológicas e mecânicas dos cimentos ósseos produzidos foram avaliadas e ensaios de hemocompatibilidade e libertação de um fármaco osteogénico (dexametasona) foram realizados.Foi concluído que os cimentos ósseos produzidos são rapidamente endurecíveis (~7,5 minutos). A alta composição mássica percentual dos pedaços produzidos pelo método de foaming/mistura supercrítico (12 m/m %) não melhorou diretamente as propriedade dos cimentos ósseos. No entanto, alguns dos cimentos ósseos produzidos mostraram valores superiores de propriedades mecânicas (tais como 45 MPa e 2.1 MPa para o módulo de Young e força de compressão à rutura, respetivamente) e porosidade (>70%) (particularmente revelando alta macroporosidade) quando comparados com outos cimentos de fosfato de cálcio comerciais (tais como Ostim® e ChronOS®Inject). Foi também concluído que os cimentos ósseos produzidos são capazes de libertar dexametasona até 21 dias, o que é considerado pela literatura como um intervalo de tempo adequado para estímulo da regeneração óssea.Conclui-se que os cimentos ósseos produzidos são candidatos para enchimento de defeitos de osso/dentes, no entanto mais pesquisa deve ser realizada a formulações de cimentos de fosfato de cálcio, particularmente à percentagem de composição mássica dos pedaços produzidos pelo método de foaming/mistura supercrítica.

Bone cement is a biocompatible setting biomaterial used for bone defect fill that must have similar features to bone and dental tissues. Available calcium phosphate-based bone cements reveal high microporosity (enable deposition of biological molecules and nutrients/metabolic wastes flow) and have higher chemical similarities to bone calcium hydroxyapatite. However, they reveal low mechanical performance (to high load-bearing application areas) and low macroporosity (for osteoblast migration and consequent bone regeneration).Different formulations of calcium phosphate/gelatine-based bone cements were produced incorporating highly porous pieces of poly(ε-caprolactone)/silica nanoparticles (92:8wt.%) (additivated with glycofurol, a porogenic, polymer/inorganic compatibilizer and plasticizer agent) processed by supercritical carbon dioxide-assisted foaming/mixing method. These biomaterials were produced in order to enhance morphological (such as surface area, macroporosity and bulk and real densities), mechanical (Young’s modulus and compressive strength at break) and compatibility properties of the produced bone cements. The composition of pieces produced by supercritical foaming/mixing method to be incorporated into the calcium phosphate/gelatine-based bone cements was investigated. Morphological and mechanical properties of the produced bone cements were evaluated and hemocompatibility and osteogenic drug release (dexamethasone) assays were also performed. It was concluded that the produced bone cements are fast-setting (~7.5 minutes). The higher weight percent composition of pieces (12 wt.%) produced by supercritical foaming/mixing method did not directly enhance the properties of the bone cements. However, some of the produced bone cements showed higher values of mechanical properties (such as 45 MPa and 2.1 MPa for Young’s modulus and compressive strength at break, respectively) and porosity (>70%) (particularly, revealing high macroporosity) when compared to other commercial calcium phosphate cements (such as Ostim® and ChronOS®Inject). It was also concluded that the produced bone cements are able to release dexamethasone for an estimated period of 21 days, which is considered by the literature as a suitable time interval to stimulate bone regeneration.It was concluded that the produced bone cements are candidates for bone/dental defect fillers, however more research should be performed to calcium phosphate cement formulations, particularly on the weight percent composition of pieces produced by supercritical foaming/mixing method.