Este trabalho está baseado no desenvolvimento do compósito poli(metacrilato de metila) (PMMA) microfibra de biovidro 45S5® (BV) com porosidade para aplicação direcionada a implantes ósseos. O PMMA é um material do tipo bioinerte amplamente utilizado na fabricação de implantes. O biovidro 45S5® é um biomaterial bioativo classe-A, que significa ser capaz de integração com tecidos moles e ósseos. O presente trabalho objetiva a conjugação das propriedades destes dois materiais em um conceito que introduz microfibra de biovidro 45S5® e porosidade em uma matriz de PMMA na busca de um material com elevada osteointegração e que permita a manufatura de implantes com adequada resistência a carregamentos mecânicos. Foram manufaturados e avaliados fisicamente e in vivo corpos de prova de PMMA com introdução de 20% de microfibra de biovidro (densos e porosos a 80%), corpos de PMMA com introdução de hidroxiapatita (densos e porosos a 80%) e de PMMA (densos e porosos a 80%) para controle. Foram realizados testes mecânicos de compressão e de flexão a três pontos para medidas de resistência e rigidez. Também foram realizadas medidas da microdureza Vickers e da densidade das amostras. Os resultados médios obtidos da tensão de escoamento e módulo elástico para os corpos de prova com introdução de 20% de microfibra de biovidro nos ensaios de compressão foram de 44 MPa e 1403 MPa respectivamente para as amostras densas e de 8 MPa e 13 MPa para as amostras porosas e nos ensaios de flexão foram de 48 MPa e 8129 MPa para os corpos densos e de 5 MPa e 97 MPa para os corpos porosos. A modelagem matemática a partir dos resultados permite a determinação antecipada da formulação para o atendimento específico de cada proposta de implante. Os implantes ensaiados in vivo com adição de microfibra de Biovidro 45S5® foram os que apresentaram os melhores resultados em integração óssea e controle da inflamação local. / This work is based on the development of poly(methyl methacrylate) (PMMA) - bioglass 45S5® microfibers composite with porosity for bone implants application. PMMA is a bioinert material widely used in the manufacture of biological implants. The 45S5® bioglass is a bioactive class-A biomaterial which indicates ability to integrate with bone and soft tissues. The present study aims to combine the properties of these two materials on a concept that introduces bioglass 45S5® microfibers and porosity in a matrix of PMMA in order to find a material with high bone integration and capable of manufacture implants with adequate resistance to mechanical loads. Samples of PMMA with the introduction of 20% of bioglass microfiber (dense and 80% of porous), PMMA with introduction of hydroxyapatite (dense and 80% of porous), and PMMA (dense and 80% of porous) for control were fabricated and evaluated both physically and in vivo. Mechanical tests such as compression and three points bending have been performed for measurements of strain and stiffness. Measurements of Vickers microhardness and density of the samples also were performed. The average results of yield stress and elastic modulus for the samples with the introduction of 20% microfiber bioglass in compression tests were 44 MPa and 1403 MPa respectively for dense samples and 8 MPa and 13 MPa for porous samples and in bending tests were 48 MPa and 8129 MPa for dense bodies and 5 MPa and 97 MPa for the porous bodies. The mathematical modeling based on the results allows the early determination of the formulation to meet the specific needs of each implant proposal. The implants tested in vivo with addition of 45S5® bioglass microfiber presented the best results in bone integration and control of local inflammation when compared with all the other groups with the scaffold presence.

Este trabalho está baseado no desenvolvimento do compósito poli(metacrilato de metila) (PMMA) microfibra de biovidro 45S5® (BV) com porosidade para aplicação direcionada a implantes ósseos. O PMMA é um material do tipo bioinerte amplamente utilizado na fabricação de implantes. O biovidro 45S5® é um biomaterial bioativo classe-A, que significa ser capaz de integração com tecidos moles e ósseos. O presente trabalho objetiva a conjugação das propriedades destes dois materiais em um conceito que introduz microfibra de biovidro 45S5® e porosidade em uma matriz de PMMA na busca de um material com elevada osteointegração e que permita a manufatura de implantes com adequada resistência a carregamentos mecânicos. Foram manufaturados e avaliados fisicamente e in vivo corpos de prova de PMMA com introdução de 20% de microfibra de biovidro (densos e porosos a 80%), corpos de PMMA com introdução de hidroxiapatita (densos e porosos a 80%) e de PMMA (densos e porosos a 80%) para controle. Foram realizados testes mecânicos de compressão e de flexão a três pontos para medidas de resistência e rigidez. Também foram realizadas medidas da microdureza Vickers e da densidade das amostras. Os resultados médios obtidos da tensão de escoamento e módulo elástico para os corpos de prova com introdução de 20% de microfibra de biovidro nos ensaios de compressão foram de 44 MPa e 1403 MPa respectivamente para as amostras densas e de 8 MPa e 13 MPa para as amostras porosas e nos ensaios de flexão foram de 48 MPa e 8129 MPa para os corpos densos e de 5 MPa e 97 MPa para os corpos porosos. A modelagem matemática a partir dos resultados permite a determinação antecipada da formulação para o atendimento específico de cada proposta de implante. Os implantes ensaiados in vivo com adição de microfibra de Biovidro 45S5® foram os que apresentaram os melhores resultados em integração óssea e controle da inflamação local. / This work is based on the development of poly(methyl methacrylate) (PMMA) - bioglass 45S5® microfibers composite with porosity for bone implants application. PMMA is a bioinert material widely used in the manufacture of biological implants. The 45S5® bioglass is a bioactive class-A biomaterial which indicates ability to integrate with bone and soft tissues. The present study aims to combine the properties of these two materials on a concept that introduces bioglass 45S5® microfibers and porosity in a matrix of PMMA in order to find a material with high bone integration and capable of manufacture implants with adequate resistance to mechanical loads. Samples of PMMA with the introduction of 20% of bioglass microfiber (dense and 80% of porous), PMMA with introduction of hydroxyapatite (dense and 80% of porous), and PMMA (dense and 80% of porous) for control were fabricated and evaluated both physically and in vivo. Mechanical tests such as compression and three points bending have been performed for measurements of strain and stiffness. Measurements of Vickers microhardness and density of the samples also were performed. The average results of yield stress and elastic modulus for the samples with the introduction of 20% microfiber bioglass in compression tests were 44 MPa and 1403 MPa respectively for dense samples and 8 MPa and 13 MPa for porous samples and in bending tests were 48 MPa and 8129 MPa for dense bodies and 5 MPa and 97 MPa for the porous bodies. The mathematical modeling based on the results allows the early determination of the formulation to meet the specific needs of each implant proposal. The implants tested in vivo with addition of 45S5® bioglass microfiber presented the best results in bone integration and control of local inflammation when compared with all the other groups with the scaffold presence.

No presente trabalho, suportes tridimensionais (scaffolds) de polímero reforçado foram gerados por meio da técnica aditiva por extrusão utilizando duas estratégias de deposição e, posteriormente, foram avaliados morfologicamente, mecanicamente e por meio de ensaios in vitro. Como matriz polimérica do compósito utilizou-se a poli(ε-caprolactona) e como reforço, o Biovidro® 45S5. De forma a melhorar a interação interfacial entre a matriz polimérica e a cerâmica, avaliou-se a incorporação de nanofibra de celulose ao biovidro. Os scaffolds foram fabricados seguindo dois métodos diferentes. O primeiro consistiu no pré-processamento do material em extrusora monorrosca, seguida de extrusão direta na impressora 3D experimental Fab@CTI. O segundo consistiu em um único processo de extrusão diretamente no cabeçote de extrusão. A caracterização química do biovidro por espectroscopia de fluorescência de raios-x mostrou eficiência na preparação da biocerâmica e a caracterização da distribuição do tamanho de partícula por espalhamento de luz dinâmica mostrou a obtenção de partículas submicrométricas. Os scaffolds foram caracterizados morfologicamente pela técnica de microscopia eletrônica de varredura, e, pôde-se notar a eficiência na fabricação de geometrias com arquitetura 00/900 e tamanho de poros adequado para a aplicação na engenharia tecidual. Os ensaios mecânicos de compressão evidenciaram melhoras na rigidez com o aumento do teor de biovidro, no caso dos materiais pré-processados por extrusão, além da influência da nanofibra de celulose na melhoria das propriedades mecânicas. Os ensaios biológicos in vitro mostraram que os scaffolds suportam proliferação celular e que o biovidro é responsável pela maior deposição de sais de cálcio extracelular, facilitando a interação do material sintetizado com o tecido ósseo. / In the present work, scaffolds of reinforced polymer were generated by means of the extrusion additive technique using two strategies of deposition and, later, were evaluated morphologically, mechanically and by means of in vitro tests. Poly (ε-caprolactone) was used as the polymer matrix of the composite and as a booster, Bioglass® 45S5. In order to improve the interfacial interaction between the polymer matrix and the ceramic, the incorporation of cellulose nanofiber to the bioglass was evaluated. The scaffolds were manufactured following two different methods. The first consisted of the pre-processing of the extruded extruder material followed by direct extrusion into the experimental Fab@CTI 3D printer. The second consisted of a single extrusion process directly on the extrusion head. The chemical characterization of the bioglass by x-ray fluorescence spectroscopy showed efficiency in the preparation of the bioceramics and the characterization of the particle size distribution by dynamic light scattering showed the submicrometric particles. The scaffolds were characterized morphologically by the scanning electron microscopy technique, and it was noted the efficiency in the manufacture of geometries with architecture 00/900 and pore size suitable for application in tissue engineering. The mechanical compression tests showed improvements in stiffness with increasing bioglass content in the case of pre-processed materials by extrusion, as well as the influence of cellulose nanofiber in improving mechanical properties. Biological assays have shown that scaffolds support cell proliferation and that bioglass is responsible for the increased deposition of extracellular calcium salts, facilitating the interaction of the synthesized material with the bone tissue.

No presente trabalho, suportes tridimensionais (scaffolds) de polímero reforçado foram gerados por meio da técnica aditiva por extrusão utilizando duas estratégias de deposição e, posteriormente, foram avaliados morfologicamente, mecanicamente e por meio de ensaios in vitro. Como matriz polimérica do compósito utilizou-se a poli(ε-caprolactona) e como reforço, o Biovidro® 45S5. De forma a melhorar a interação interfacial entre a matriz polimérica e a cerâmica, avaliou-se a incorporação de nanofibra de celulose ao biovidro. Os scaffolds foram fabricados seguindo dois métodos diferentes. O primeiro consistiu no pré-processamento do material em extrusora monorrosca, seguida de extrusão direta na impressora 3D experimental Fab@CTI. O segundo consistiu em um único processo de extrusão diretamente no cabeçote de extrusão. A caracterização química do biovidro por espectroscopia de fluorescência de raios-x mostrou eficiência na preparação da biocerâmica e a caracterização da distribuição do tamanho de partícula por espalhamento de luz dinâmica mostrou a obtenção de partículas submicrométricas. Os scaffolds foram caracterizados morfologicamente pela técnica de microscopia eletrônica de varredura, e, pôde-se notar a eficiência na fabricação de geometrias com arquitetura 00/900 e tamanho de poros adequado para a aplicação na engenharia tecidual. Os ensaios mecânicos de compressão evidenciaram melhoras na rigidez com o aumento do teor de biovidro, no caso dos materiais pré-processados por extrusão, além da influência da nanofibra de celulose na melhoria das propriedades mecânicas. Os ensaios biológicos in vitro mostraram que os scaffolds suportam proliferação celular e que o biovidro é responsável pela maior deposição de sais de cálcio extracelular, facilitando a interação do material sintetizado com o tecido ósseo. / In the present work, scaffolds of reinforced polymer were generated by means of the extrusion additive technique using two strategies of deposition and, later, were evaluated morphologically, mechanically and by means of in vitro tests. Poly (ε-caprolactone) was used as the polymer matrix of the composite and as a booster, Bioglass® 45S5. In order to improve the interfacial interaction between the polymer matrix and the ceramic, the incorporation of cellulose nanofiber to the bioglass was evaluated. The scaffolds were manufactured following two different methods. The first consisted of the pre-processing of the extruded extruder material followed by direct extrusion into the experimental Fab@CTI 3D printer. The second consisted of a single extrusion process directly on the extrusion head. The chemical characterization of the bioglass by x-ray fluorescence spectroscopy showed efficiency in the preparation of the bioceramics and the characterization of the particle size distribution by dynamic light scattering showed the submicrometric particles. The scaffolds were characterized morphologically by the scanning electron microscopy technique, and it was noted the efficiency in the manufacture of geometries with architecture 00/900 and pore size suitable for application in tissue engineering. The mechanical compression tests showed improvements in stiffness with increasing bioglass content in the case of pre-processed materials by extrusion, as well as the influence of cellulose nanofiber in improving mechanical properties. Biological assays have shown that scaffolds support cell proliferation and that bioglass is responsible for the increased deposition of extracellular calcium salts, facilitating the interaction of the synthesized material with the bone tissue.

A cartilagem articular é um tema amplamente discutido na literatura por meio de vários estudos e pesquisas. Com o presente estudo, busca-se uma proposta inovadora e original no uso de um biomaterial composto e o desenvolvimento de uma cartilagem artificial que aja como coxim elástico, apresentando características de gel fibro-reforçado com finalidade biomimética mecânica que imite o comportamento da cartilagem articular. Foi conceituado um implante que tivesse uma superfície tribológica para contato com a cartilagem do platô tibial e gradualmente se convertesse em região osteo-integrável para fixação mecânica no osso subcondral. Foi desenvolvido um biomaterial composto por poliuretano e microfibra de biovidro 45S5 em gradiente funcional que foi obtido e validado através de ensaios in vitro, microscopia eletrônica de varredura e análise histológica. Nos testes in vitro seja na condição de citotoxicidade direta ou indireta, notou-se que a quantidade de células foi estatisticamente semelhante ao controle negativo, e estatisticamente diferente do controle positivo indicando que o biomaterial composto de poliuretano e microfibra de biovidro 45S5 apresentou não toxicidade direta ou indireta da amostra e ainda promoveram o crescimento e o espalhamento celular, resultados que o habilitaram para a continuidade nos estudos com experimentos in vivo com coelhos. O material foi manufaturado para aplicação em defeitos osteocondrais de coelhos medindo 3mm de diâmetro e 4mm de profundidade que foi realizado na região central da tróclea femoral. Após períodos experimentais de 15, 30 e 90 dias as análises de microscopia eletrônica de varredura mostrou na região distal da superfície tribológica uma neo-formação de uma estrutura semelhante as trabéculas ósseas que foi considerada biomimética confirmadas por análises histológicas, e na região proximal à superfície tribológica a presença de tecido fibrocartilaginoso com condrócitos e ricamente vascularizado, validando com sucesso o conceito proposto para o implante. / Articular cartilage has been widely discussed in the literature by means of several studies and researches. The present thesis reports on an innovative and original proposal to use a biomaterial compound and the development of an artificial cartilage that acts as a cushion rubber with characteristics of fiber-reinforced gel with biomimetic mechanical purpose mimicking the behavior of articular cartilage. An implant with a tribological surface for contact with the cartilage of the tibial plateau was designed. It should gradually turn into an osteo-integrable region for mechanical fixation in the subchondral bone. A biomaterial composed of polyurethane and bioglass microfiber in functional gradient was then developed and validated by scanning electron microscopy and histological analysis through in vitro tests. Under either direct or indirect cytotoxicity conditions, the tests showed that the amount of cells is statistically similar to negative control and statistically different from the positive control, indicating that the biomaterial composed of polyurethane and bioglass microfiber showed no direct or indirect toxicity and promoted cell growth and spreading. Such results allowed continuing the studies with in vivo experiments with rabbits. The material was manufactured for use in 3mm diameter and 4mm depth osteochondral defects in the central region of the femoral trochlea of rabbits. After experimental periods of 15, 30 and 90 days, the scanning electron microscopy analysis showed a neo-formation of a structure similar to trabecular bones on the tribological surface in the distal region. This neo-formation was considered biomimetic, confirmed by both histological analysis and the presence of richly vascularized fibrocartilaginous tissues with chondrocytes in the region proximal to the tribological surface.

A cartilagem articular é um tema amplamente discutido na literatura por meio de vários estudos e pesquisas. Com o presente estudo, busca-se uma proposta inovadora e original no uso de um biomaterial composto e o desenvolvimento de uma cartilagem artificial que aja como coxim elástico, apresentando características de gel fibro-reforçado com finalidade biomimética mecânica que imite o comportamento da cartilagem articular. Foi conceituado um implante que tivesse uma superfície tribológica para contato com a cartilagem do platô tibial e gradualmente se convertesse em região osteo-integrável para fixação mecânica no osso subcondral. Foi desenvolvido um biomaterial composto por poliuretano e microfibra de biovidro 45S5 em gradiente funcional que foi obtido e validado através de ensaios in vitro, microscopia eletrônica de varredura e análise histológica. Nos testes in vitro seja na condição de citotoxicidade direta ou indireta, notou-se que a quantidade de células foi estatisticamente semelhante ao controle negativo, e estatisticamente diferente do controle positivo indicando que o biomaterial composto de poliuretano e microfibra de biovidro 45S5 apresentou não toxicidade direta ou indireta da amostra e ainda promoveram o crescimento e o espalhamento celular, resultados que o habilitaram para a continuidade nos estudos com experimentos in vivo com coelhos. O material foi manufaturado para aplicação em defeitos osteocondrais de coelhos medindo 3mm de diâmetro e 4mm de profundidade que foi realizado na região central da tróclea femoral. Após períodos experimentais de 15, 30 e 90 dias as análises de microscopia eletrônica de varredura mostrou na região distal da superfície tribológica uma neo-formação de uma estrutura semelhante as trabéculas ósseas que foi considerada biomimética confirmadas por análises histológicas, e na região proximal à superfície tribológica a presença de tecido fibrocartilaginoso com condrócitos e ricamente vascularizado, validando com sucesso o conceito proposto para o implante. / Articular cartilage has been widely discussed in the literature by means of several studies and researches. The present thesis reports on an innovative and original proposal to use a biomaterial compound and the development of an artificial cartilage that acts as a cushion rubber with characteristics of fiber-reinforced gel with biomimetic mechanical purpose mimicking the behavior of articular cartilage. An implant with a tribological surface for contact with the cartilage of the tibial plateau was designed. It should gradually turn into an osteo-integrable region for mechanical fixation in the subchondral bone. A biomaterial composed of polyurethane and bioglass microfiber in functional gradient was then developed and validated by scanning electron microscopy and histological analysis through in vitro tests. Under either direct or indirect cytotoxicity conditions, the tests showed that the amount of cells is statistically similar to negative control and statistically different from the positive control, indicating that the biomaterial composed of polyurethane and bioglass microfiber showed no direct or indirect toxicity and promoted cell growth and spreading. Such results allowed continuing the studies with in vivo experiments with rabbits. The material was manufactured for use in 3mm diameter and 4mm depth osteochondral defects in the central region of the femoral trochlea of rabbits. After experimental periods of 15, 30 and 90 days, the scanning electron microscopy analysis showed a neo-formation of a structure similar to trabecular bones on the tribological surface in the distal region. This neo-formation was considered biomimetic, confirmed by both histological analysis and the presence of richly vascularized fibrocartilaginous tissues with chondrocytes in the region proximal to the tribological surface.