Biologically active metal ions in low doses have the potential to accelerate bone defect healing. For successful remodelling the interaction of bone graft materials with both bone-forming osteoblasts and bone resorbing osteoclasts is crucial. In the present study brushite forming calcium phosphate cements (CPC) were doped with Co2+, Cu2+ and Cr3+ and the influence of these materials on osteoclast differentiation and activity was examined. Human osteoclasts were differentiated from human peripheral blood mononuclear cells (PBMC) both on the surface and in indirect contact to the materials on dentin discs. Release of calcium, phosphate and bioactive metal ions was determined using ICP-MS both in the presence and absence of the cells. While Co2+ and Cu2+ showed a burst release, Cr3+ was released steadily at very low concentrations (below 1 μM) and both calcium and phosphate release of the cements was considerably changed in the Cr3+ modified samples. Direct cultivation of PBMC/osteoclasts on Co2+ cements showed lower attached cell number compared to the reference but high activity of osteoclast specific enzymes tartrate resistant acid phosphatase (TRAP), carbonic anhydrase II (CAII) and cathepsin K (CTSK) and significantly increased gene expression of vitronectin receptor. Indirect cultivation with diluted Co2+ cement extracts revealed highest resorbed area compared to all other modifications and the reference. Cu2+ cements had cytotoxic effect on PBMC/osteoclasts during direct cultivation, while indirect cultivation with diluted extracts from Cu2+ cements did not provoke cytotoxic effects but a strictly inhibited resorption. Cr3+ doped cements did not show cytotoxic effects at all. Gene expression and enzyme activity of CTSK was significantly increased in direct culture. Indirect cultivation with Cr3+ doped cements revealed significantly higher resorbed area compared to the reference. In conclusion Cr3+ doped calcium phosphate cements are an innovative cement modification because of their high cytocompatibility and support of active resorption by osteoclasts.

Natural composites, in particular nacre, often combine high strength and toughness thanks to highly ordered architectures and controlled geometries of the reinforcement components. However, combining strength, toughness and resorbability in synthetic materials remains a challenge in particular in the field of bone graft substitutes. In the present study, calcium phosphate-(CaP-)based materials with designed architectures inspired from natural composite materials were achieved. CaP platelets obtained by precipitation in organic medium were first aligned in chitosan matrices by solvent casting in ambient conditions. Efficient strengthening was obtained with 15 vol-% ceramic, reaching cortical bone strength (150 MPa) and preserving good ductility (5 % deformation). In a weak magnetic field, high spatial arrangement without percolation was maintained up to 20 vol-%. With directional freezing, good alignment of the platelets could be pushed up to 50 vol-%. In parallel, in situ recrystallization of CaP blocks in hydrothermal conditions led to hierarchical structures. The strength and the work-of-fracture were enhanced (300%) thanks to a change of failure mode.:Acknowledgements v Summary vii Background vii Thesis outline viii Part I: “Brick-and-mortar” structures with discrete reinforcement components ix Part II: “Textured” structures with continuous reinforcement components x Zusammenfassung xi Hintergrund xi Doktorarbeit Gliederung xii Teil I: “Ziegelmauer-Architektur” mit diskreten Verstärkungskomponenten xiii Teil II: “ Texturierte” Strukturen mit kontinuierlichen Verstärkungskomponenten xiv Chapter 1: General introduction 1 Bone grafting 1 CaP ceramics 1 How to improve toughness of CaP ceramics? 2 Importance of structure design: bio-inspiration 2 What mechanical properties should be reached? 5 Specific aims 5 Two general approaches to reach the goal 6 Nacre-inspired “brick-and mortar” structures (Part I) 6 Textured ceramic monoliths (Part II) 6 References 7 Chapter 2: Theoretical calculations 11 Introduction 12 Theoretical tensile strength of β-TCP platelets and critical size for flaw tolerance 13 Optimal aspect ratio 15 Composite strength and stiffness 17 Limitations 19 References 19 PART I: NACRE-INSPIRED “BRICK-AND-MORTAR” STRUCTURES Chapter 3: Synthesis of sub-micrometer calcium phosphate platelets 23 Introduction 24 ii Materials and Methods 25 Precipitation method 25 Reaction parameters 25 Characterization 26 Statistical analysis of results 28 Results 28 Reproducibility of standard experiments 28 Increase of the reagent volume to increase the productivity 30 Increase of the precursors concentration to increase the productivity and modify the particles 30 Increase of titration rate to simplify the process 32 Influence of temperature on the particles 35 Effect of the pH value on the particles 37 Effect of a longer reaction time on the particle stability 40 Study of the influence of variations of the Ca/P molar ratio 42 Discussion 43 Reproducibility 43 Productivity 44 CaP crystal shape 45 Crystal purity 47 Aspect ratio 48 Critical thickness 49 Uniformity of primary particles 50 Non agglomerated 51 General points 52 Conclusions 52 References 53 Chapter 4: Kinetics study of the calcium phosphate platelets growth 57 Introduction 58 Theory 58 Materials and methods 60 Materials and sample preparation 60 Characterization methods 61 Results 62 Visual observations during manipulations 62 SEM observations 62 XRD results 66 Size measurements 68 Kinetics calculations 70 Discussion 74 Nucleation and assembly mechanism 74 Reaction kinetics 76 Control of size and aspect ratio 76 Conclusions 77 References 78 Chapter 5: Structural design of bio-inspired composites by solvent casting 81 Foreword 82 Introduction 82 Experimental section 84 iii Synthesis of resorbable ceramic platelets 84 Solvent casting to prove the reinforcement efficiency of DCP platelets 84 Magnetization of the platelets 85 Maintaining the orientation during drying of an hydrogel matrix 86 Results 87 Synthesis of resorbable ceramic platelets 87 Solvent casting to prove the reinforcement efficiency of CaP platelets 87 Magnetization of the platelets 91 Maintaining the orientation during drying of an hydrogel matrix 93 Discussion 95 Detrimental effect of β-TCP platelets in chitosan 95 Efficient reinforcement with DCP platelets up to a given volume fraction 96 Threshold value for strength improvement 97 Fitting the experimental results with theoretical equations 98 Conclusions 101 References 101 Chapter 6: Biodegradable, strong and tough nacre-inspired structures obtained by freezecasting 105 Introduction 106 Experimental section 108 Synthesis of resorbable ceramic platelets 108 Preliminary freeze-casting tests with β-TCP-based slurries 108 Determination of adequate freeze-casting parameters for hydrogels-CaP slurries 108 Integration of CaP platelets and local planar alignment 109 Attempts to globally align porosity in two directions 109 Densification and consolidation 110 Tensile testing 110 Results 111 Preliminary freeze-casting tests with β-TCP-based slurries 111 Determination of adequate freeze-casting parameters for hydrogels-CaP slurries 112 Integration of CaP platelets and local planar alignment 113 Attempts to globally align porosity in two directions 119 Densification and consolidation 121 Tensile testing 121 Discussion 122 Conclusions 124 References 125 PART II: TEXTURED CERAMIC MONOLITHS Chapter 7: Micro-texturing by recrystallization of calcium phosphate blocks in hydrothermal conditions 127 Introduction 128 Materials and Methods 130 Samples characterization 132 Results 133 Macroscopic observations 133 Microstructural changes (SEM) 133 Crystalline phase conversion (XRD) 139 iv Mechanical properties 142 Fractured surfaces 142 Discussion 145 Conclusions 150 References 150 Chapter 8: Toughening of textured calcium phosphate blocks by polymer impregnation 155 Foreword 156 Introduction 156 Materials and Methods 157 Samples preparation 157 Characterization 158 Results 158 Porosity and microstructure 158 Composition 161 Mechanical properties 161 Discussion 162 Conclusions 164 References 164 Chapter 9: Synthesis and outlook 167 Curriculum Vitae 171

Introdução: A regeneração óssea guiada baseia-se no princípio de seletividade celular, utilizando membranas para impedir a migração de células indesejadas dos tecidos moles e guiar a proliferação de células osteogênicas. A MDA é um biomaterial que tem sido amplamente utilizado em procedimentos regenerativos periodontais, não somente por ser biocompatível, mas também pela sua capacidade reconstrutiva em proporcionar um aumento da faixa de tecido queratinizado. Em pesquisas recentes, foi demonstrado o envolvimento de uma cadeia de 15 aminoácidos do colágeno (P-15) na diferenciação celular de fibroblastos e osteoblastos. A associação de matriz óssea inorgânica bovina com o P-15 (MOI/P-15) tem apresentado bons resultados. O objetivo dessa pesquisa foi avaliar a eficácia da MDA associada à MOI/P-15 na preservação da crista alveolar após extração dentária em humanos. Metodologia: Foram selecionados 18 pacientes que necessitavam de exodontia de dentes anteriores da maxila com pelo menos dois dentes não contíguos. Foi adotado o modelo boca dividida. Após as extrações dentárias foram realizadas cirurgias regenerativas de preservação da crista alveolar utilizando MOI/P-15 (GT) em um alvéolo e o coágulo sanguíneo no outro alvéolo (GC). Após a inserção do substituto ósseo, a MDA foi posicionada e fixada com parafusos sobre os dois alvéolos para servir como membrana. O retalho foi suturado deixando 2 mm da MDA expostos na porção central. As medidas clínicas MVEP, MVEV e MAH foram registradas na primeira cirurgia e após 6 meses, na cirurgia de reentrada, tomando-se como pontos de referência os parafusos de titânio. Resultados Na análise intragrupos, após seis meses, houve redução estatisticamente significante nas medidas MVEP, MVEV e MAH para ambos os grupos. Para o grupo teste, houve redução na MVEP de 2,80 ± 1,61 para 1,97 ± 1,67 mm; na MVEV de 5,80 ± 1,74 para 4,60 ± 2,05 mm e na MAH de 7,40 ± 2,16 para 4,87 ± 1,51 mm. Para o grupo controle, a MVEP variou de 2,50 ± 1,24 para 1,63 ± 1,32 mm; a MVEV de 6,27 ± 1,75 para 4,77 ± 1,59 mm e MAH de 7,60 ± 1,18 para 4,20 ± 1,00 mm. Para a comparação entre os grupos, além das medidas iniciais e finais, foram calculadas as diferenças entre elas para cada grupo. No grupo teste, a diferença para MVEP foi de 0,83 ± 1,53 e no controle foi de 0,87 ± 1,13 mm; e para MVEV foi de 1,20 ± 2,02 e 1,50 ± 1,15 mm para os grupos teste e controle, respectivamente. Na medida horizontal (MAH) foi encontrada diferença estatística quando comparadas as diferenças no grupo teste e controle que foi de 2,53 ± 1,81 mm para o grupo teste e 3,40 ± 1,39 mm para o grupo controle (p<0,05). Conclusão: Os resultados deste estudo mostram que a MDA, associada ou não a MOIP-15, pode ser utilizada com sucesso como membrana para preservação do rebordo alveolar após extração dentária de dentes maxilares anteriores. A associação com o enxerto favorece de maneira significativa a manutenção da espessura no sentido horizontal da crista alveolar. / Background: Preventing ridge collapse with the extraction of maxillary anterior teeth is vital to an esthetic restorative result. Several techniques are available to regenerative procedures and are used for socket preservation. The aim of this study was to analyze by clinical parameters the use of acellular dermal matrix (ADM) and anorganic bovine bone matrix (ABM) with a synthetic cell-binding peptide P-15 to preserve alveolar bone after tooth extraction. Methods: Eighteen patients in need of extraction of maxillary anterior teeth were selected and they were randomly assigned to the test (ADM plus ABM/P-15) or control (ADM only). Clinical measurements were recorded at initial and 6 months after ridge preservation procedures. Results: In the clinical measurements - External Vertical Palatal, External Vertical Buccal and Alveolar Horizontal (EVPM, EVBM and AHM) -, the statistical analysis showed no difference between test and control groups in the initial and at six months. The intragroup analysis, after six months, showed a statistically significant reduction in the measurements for both groups. In the comparison between the groups, the differences (mm), in the test group, were: EVLM=0.83±1.53, EVBM=1.20±2.02, AHM=2.53±1.81 and in the control were: EVLM=0.87±1.13, EVBM=1.50±1.15, AHM=3.40±1.39. The differences in EVLM and EVBM measurements were no statistically significant; however, in horizontal measurement (AHM), there was statistically difference (p<0.05). Conclusion: The results of this study show that ADM, with or without ABM/P-15, can be successfully when it is used as a membrane for preservation of alveolar ridge after tooth extraction of maxillary teeth earlier.

Atualmente há um número crescente de idosos necessitando reabilitação com enxerto ósseo, no entanto pouco se sabe sobre o efeito do envelhecimento fisiológico sobre este processo. Este estudo teve como objetivo comparar a regeneração óssea guiada na mandíbula de ratos adultos e velhos. Ratos Wistar machos, com 9 meses (adultos) e 20 meses (velhos) de idade, foram avaliados 0, 7, 28 e 120 dias após a cirurgia. O protocolo cirúrgico incluiu a remoção de osso autógeno da calvária e sua fixação com implante de titânio na mandíbula. A formação óssea foi avaliada através da densidade mineral óssea (DMO), microtomografia computadorizada (?CT), análise histomorfométrica e taxa de aposição mineral. Cento e vinte dias após a cirurgia, os animais velhos apresentaram uma redução da variação da DMO na tíbia quando comparada com adultos (-0,022±0,007 vs. 0,011±0,004 g/cm2, respectivamente, p=0,004) e no fêmur (-0,036±0,01 vs. 0,024±0,007 g/cm2, respectivamente, p=0,000). A análise de ?CT revelou uma redução no percentual de volume ósseo nos ratos velhos quando comparados aos adultos (52,34±1,98 vs. 61,46±2,0 %, respectivamente, p=0,032). A análise histomorfométrica confirmou estes dados, tanto no percentual de área óssea (44,0±1,9 vs. 51,0±1,4 e %, velho vs. adulto, p=0,014) quanto no contacto osso-implante (63,5±3,4 vs. 73,0±1,7%, velho vs. adulto, p=0,028). A taxa de aposição mineral óssea também foi significativamente menor nos ratos velhos em comparação com os adultos, tanto na região da mandíbula (1,23±0,05 vs 2,62±0,33 ?m/dia, respectivamente, p=0,001) quanto na região do implante (0,16±0,03 vs. 1,17±0,06 ?m/dia, respectivamente, p=0,001). Em conclusão, nossos resultados sugerem que o processo de envelhecimento, por si só, afeta a capacidade de regeneração ossea de animais velhos que não são caracterizados como osteoporóticos e sugerem que isso deva ser levado em conta durante o tratamento de pacientes idosos. / Currently there are an increasing number of elderly requiring rehabilitation with bone graft, however little is known about the effect of physiological aging on this process. This study aimed to compare guided bone regeneration in adult and old normal rats. Male Wistar rats with 9 months (adult) and with 20 months (old) were evaluated at 0, 7, 28 and 120 days after surgery. The surgical protocol included the removal of autogenous parietal bone and insertion in the jaw with titanium implant. Bone formation was evaluated through bone mineral density (BMD), X-ray computerized microtomography (3D?CT), histomorphometric analysis and mineralization apposition rate. At baseline, adults and old animals presented similar values of BMD. 120 days after surgery, old animals presented a reduction of tibia BMD when compared with adults (-0.022±0.007 vs. 0.011±0.004 g/cm2, respectively, p=0.004) and of femur (-0.036±0.01 vs. 0.024±0.007 g/cm2, respectively, p=0.000). The 3D?CT analysis revealed a reduction of new-formed bone volume in the old group when compared with adult (52.34±1.98 vs. 61.46±2.0 %, respectively, p=0.032). Histomorphometric analysis corroborates these data, since 120 days after surgery the % of bone area and bone-implant contact were impaired in old rats. Mineralization apposition rate was also impaired in mandible and at implant region of old rat. Together our results suggest that the ageing process per se affect bone regenerative capacity and calls for attention of surgeons to this retard during the treatment of elderly patients.

Introdução: A regeneração óssea guiada baseia-se no princípio de seletividade celular, utilizando membranas para impedir a migração de células indesejadas dos tecidos moles e guiar a proliferação de células osteogênicas. A MDA é um biomaterial que tem sido amplamente utilizado em procedimentos regenerativos periodontais, não somente por ser biocompatível, mas também pela sua capacidade reconstrutiva em proporcionar um aumento da faixa de tecido queratinizado. Em pesquisas recentes, foi demonstrado o envolvimento de uma cadeia de 15 aminoácidos do colágeno (P-15) na diferenciação celular de fibroblastos e osteoblastos. A associação de matriz óssea inorgânica bovina com o P-15 (MOI/P-15) tem apresentado bons resultados. O objetivo dessa pesquisa foi avaliar a eficácia da MDA associada à MOI/P-15 na preservação da crista alveolar após extração dentária em humanos. Metodologia: Foram selecionados 18 pacientes que necessitavam de exodontia de dentes anteriores da maxila com pelo menos dois dentes não contíguos. Foi adotado o modelo boca dividida. Após as extrações dentárias foram realizadas cirurgias regenerativas de preservação da crista alveolar utilizando MOI/P-15 (GT) em um alvéolo e o coágulo sanguíneo no outro alvéolo (GC). Após a inserção do substituto ósseo, a MDA foi posicionada e fixada com parafusos sobre os dois alvéolos para servir como membrana. O retalho foi suturado deixando 2 mm da MDA expostos na porção central. As medidas clínicas MVEP, MVEV e MAH foram registradas na primeira cirurgia e após 6 meses, na cirurgia de reentrada, tomando-se como pontos de referência os parafusos de titânio. Resultados Na análise intragrupos, após seis meses, houve redução estatisticamente significante nas medidas MVEP, MVEV e MAH para ambos os grupos. Para o grupo teste, houve redução na MVEP de 2,80 ± 1,61 para 1,97 ± 1,67 mm; na MVEV de 5,80 ± 1,74 para 4,60 ± 2,05 mm e na MAH de 7,40 ± 2,16 para 4,87 ± 1,51 mm. Para o grupo controle, a MVEP variou de 2,50 ± 1,24 para 1,63 ± 1,32 mm; a MVEV de 6,27 ± 1,75 para 4,77 ± 1,59 mm e MAH de 7,60 ± 1,18 para 4,20 ± 1,00 mm. Para a comparação entre os grupos, além das medidas iniciais e finais, foram calculadas as diferenças entre elas para cada grupo. No grupo teste, a diferença para MVEP foi de 0,83 ± 1,53 e no controle foi de 0,87 ± 1,13 mm; e para MVEV foi de 1,20 ± 2,02 e 1,50 ± 1,15 mm para os grupos teste e controle, respectivamente. Na medida horizontal (MAH) foi encontrada diferença estatística quando comparadas as diferenças no grupo teste e controle que foi de 2,53 ± 1,81 mm para o grupo teste e 3,40 ± 1,39 mm para o grupo controle (p<0,05). Conclusão: Os resultados deste estudo mostram que a MDA, associada ou não a MOIP-15, pode ser utilizada com sucesso como membrana para preservação do rebordo alveolar após extração dentária de dentes maxilares anteriores. A associação com o enxerto favorece de maneira significativa a manutenção da espessura no sentido horizontal da crista alveolar. / Background: Preventing ridge collapse with the extraction of maxillary anterior teeth is vital to an esthetic restorative result. Several techniques are available to regenerative procedures and are used for socket preservation. The aim of this study was to analyze by clinical parameters the use of acellular dermal matrix (ADM) and anorganic bovine bone matrix (ABM) with a synthetic cell-binding peptide P-15 to preserve alveolar bone after tooth extraction. Methods: Eighteen patients in need of extraction of maxillary anterior teeth were selected and they were randomly assigned to the test (ADM plus ABM/P-15) or control (ADM only). Clinical measurements were recorded at initial and 6 months after ridge preservation procedures. Results: In the clinical measurements - External Vertical Palatal, External Vertical Buccal and Alveolar Horizontal (EVPM, EVBM and AHM) -, the statistical analysis showed no difference between test and control groups in the initial and at six months. The intragroup analysis, after six months, showed a statistically significant reduction in the measurements for both groups. In the comparison between the groups, the differences (mm), in the test group, were: EVLM=0.83±1.53, EVBM=1.20±2.02, AHM=2.53±1.81 and in the control were: EVLM=0.87±1.13, EVBM=1.50±1.15, AHM=3.40±1.39. The differences in EVLM and EVBM measurements were no statistically significant; however, in horizontal measurement (AHM), there was statistically difference (p<0.05). Conclusion: The results of this study show that ADM, with or without ABM/P-15, can be successfully when it is used as a membrane for preservation of alveolar ridge after tooth extraction of maxillary teeth earlier.

Os estudos abordando a regeneração dos tecidos dentários ganharam uma nova perspectiva com a utilização das células-tronco. E novas perspectivas têm surgido com a bioengenharia tecidual e as terapias periodontais e pulpares regeneradoras. O objetivo deste trabalho foi desenvolver o modelo experimental de autotransplante em ratos visando compará-lo à técnica de reimplante e estudar a capacidade terapêutica das células da medula óssea em diferentes biomateriais utilizados como matriz para a terapia de células-tronco no reparo dos tecidos dentais. Foram utilizados 23 ratos Wistar divididos em grupos de 1, 3, 15 e 60 dias para as técnicas de reimplante e autotransplante. Os grupos com injeção de células-tronco (CT) foram: (1) grupo de 3 dias, combinado à técnica de reimplante; (2) grupo de 15 dias com ambas as técnicas. Blocos contendo os três dentes molares superiores de cada lado dos ratos foram removidos, feitas radiografias periapicais e as peças foram processadas para inclusão em parafina. Foram avaliadas a espessura do ligamento periodontal (LPD) comparada entre os diferentes grupos e a morfologia celular e matriz extracelular relacionadas à superfície radicular, ao osso alveolar e à porção média do LPD, além das células da polpa dental de cada grupo. As células isoladas a partir da medula-óssea foram incubadas por 24h, 48h, e 72h em placas de cultura contendo membranas de colágeno bovino tipo I - CollaTape (Integra LifeSciences Corporation, Plainsboro, NJ, USA), enxerto ósseo - Extra Graft XG-13 (Silvestre Labs Quimica e Farmaceutica LTDA, RJ, Brazil) ou um dente molar de rato. Os espécimes foram observados em um microscópio invertido para contagem de células e processadas para observação no microscópio eletrônico de varredura (MEV). Os grupos de 1 e 3 dias apresentaram medidas de LPD significativamente maiores para a técnica de autotransplante quando comparadas ao reimplante. O grupo de 3 dias com CT não apresentou alterações pulpares significativas, diferente do controle (sem CT) O grupo de 15 dias com CT apresentou as mesmas características histológicas do grupo sem injeção de CT. A observação ao MEV dos biomateriais revelou que as células apresentaram pouca adesão e proliferação no enxerto ósseo e no cemento dentário quando comparados à membrana colágena. A técnica de reimplante associada à injeção de células-tronco sugere alguma influência da terapia com as células-tronco sobre a polpa. As distâncias aumentadas no LPD com a técnica de autotransplante podem não influenciar tanto o sucesso da técnica. As células mesenquimais da medula óssea possuem grande potencial para colonizarem a membrana colágena CollaTape que mostrou vantagens sobre o enxerto ósseo Extra Graft XG-13 como biomaterial para a aderência e a proliferação de células mononucleares da medula óssea, permitindo a diferenciação destas células. / The studies on the regeneration of dental tissues have gained a new perspective with the use of stem cells. And new perspectives have appeared with bioengineering and pulp and periodontal regenerative therapies. The aim of this study was to develop an experimental model of autotransplantation in rats in order to compare it with tooth reimplant technique and to study the therapeutic potential of bone marrow cells in different biomaterials used as scaffolds for stem cell therapy to repair dental tissues. 23 rats divided in 1, 3, 15 and 60 days groups were used for the techniques of tooth reimplant and autotranplant. The groups with stem cell injection (CT) were: (1) 3 days, combined with tooth replant technique; (2) 15 days with both techniques. Blocks containing the three molar teeth from each side of the rats superior jaws were removed, periapical radiographs were taken and the specimens were processed and embedded in paraffin. LPD thickness among different groups and cell morphology and extracellular matrix related to the root surface, alveolar bone and the middle portion of the LPD, and dental pulp cells were evaluated and compared from each group. Cells isolated from bone marrow were incubated for 24h, 48h and 72h in culture plates containing membranes of bovine collagen type I - CollaTape (Integra LifeSciences Corporation, Plainsboro, NJ, USA), bone graft - Extra Graft XG-13 (Silvestre Labs Chemical and Pharmaceutical Ltda, RJ, Brazil) or a mouse molar tooth. The specimens were observed using an inverted microscope for cell count and processed for observation in a scanning electron microscope (SEM). Groups 1 and 3 days showed LPD thickness significantly higher for tooth autotransplant technique when compared to reimplant. The group of 3 days with stem cells showed no significant pulp changes different from control (without stem cells). Group of 15 days with stem cells showed the same histological characteristics of the group without injection of stem cells. The biomaterials observation at SEM revealed that cells in the bone graft and in tooth cementum showed poor adhesion and prolifetarion when compared to collagen membrane The tooth reimplant technique associated with injection of stem cells suggests some influence of stem cells therapy on the pulp. The increased distances in LPD with tooth autotranplant technique may not influence the success of the technique. The bone marrow mesenchymal cells have great potential to colonize the collagen membrane CollaTape that showed advantages over bone graft Extra Graft XG-13 as a biomaterial for adhesion and proliferation of bone marrow mononuclear cells, allowing the differentiation of these cells.

Atualmente há um número crescente de idosos necessitando reabilitação com enxerto ósseo, no entanto pouco se sabe sobre o efeito do envelhecimento fisiológico sobre este processo. Este estudo teve como objetivo comparar a regeneração óssea guiada na mandíbula de ratos adultos e velhos. Ratos Wistar machos, com 9 meses (adultos) e 20 meses (velhos) de idade, foram avaliados 0, 7, 28 e 120 dias após a cirurgia. O protocolo cirúrgico incluiu a remoção de osso autógeno da calvária e sua fixação com implante de titânio na mandíbula. A formação óssea foi avaliada através da densidade mineral óssea (DMO), microtomografia computadorizada (?CT), análise histomorfométrica e taxa de aposição mineral. Cento e vinte dias após a cirurgia, os animais velhos apresentaram uma redução da variação da DMO na tíbia quando comparada com adultos (-0,022±0,007 vs. 0,011±0,004 g/cm2, respectivamente, p=0,004) e no fêmur (-0,036±0,01 vs. 0,024±0,007 g/cm2, respectivamente, p=0,000). A análise de ?CT revelou uma redução no percentual de volume ósseo nos ratos velhos quando comparados aos adultos (52,34±1,98 vs. 61,46±2,0 %, respectivamente, p=0,032). A análise histomorfométrica confirmou estes dados, tanto no percentual de área óssea (44,0±1,9 vs. 51,0±1,4 e %, velho vs. adulto, p=0,014) quanto no contacto osso-implante (63,5±3,4 vs. 73,0±1,7%, velho vs. adulto, p=0,028). A taxa de aposição mineral óssea também foi significativamente menor nos ratos velhos em comparação com os adultos, tanto na região da mandíbula (1,23±0,05 vs 2,62±0,33 ?m/dia, respectivamente, p=0,001) quanto na região do implante (0,16±0,03 vs. 1,17±0,06 ?m/dia, respectivamente, p=0,001). Em conclusão, nossos resultados sugerem que o processo de envelhecimento, por si só, afeta a capacidade de regeneração ossea de animais velhos que não são caracterizados como osteoporóticos e sugerem que isso deva ser levado em conta durante o tratamento de pacientes idosos. / Currently there are an increasing number of elderly requiring rehabilitation with bone graft, however little is known about the effect of physiological aging on this process. This study aimed to compare guided bone regeneration in adult and old normal rats. Male Wistar rats with 9 months (adult) and with 20 months (old) were evaluated at 0, 7, 28 and 120 days after surgery. The surgical protocol included the removal of autogenous parietal bone and insertion in the jaw with titanium implant. Bone formation was evaluated through bone mineral density (BMD), X-ray computerized microtomography (3D?CT), histomorphometric analysis and mineralization apposition rate. At baseline, adults and old animals presented similar values of BMD. 120 days after surgery, old animals presented a reduction of tibia BMD when compared with adults (-0.022±0.007 vs. 0.011±0.004 g/cm2, respectively, p=0.004) and of femur (-0.036±0.01 vs. 0.024±0.007 g/cm2, respectively, p=0.000). The 3D?CT analysis revealed a reduction of new-formed bone volume in the old group when compared with adult (52.34±1.98 vs. 61.46±2.0 %, respectively, p=0.032). Histomorphometric analysis corroborates these data, since 120 days after surgery the % of bone area and bone-implant contact were impaired in old rats. Mineralization apposition rate was also impaired in mandible and at implant region of old rat. Together our results suggest that the ageing process per se affect bone regenerative capacity and calls for attention of surgeons to this retard during the treatment of elderly patients.

Bone regeneration or augmentation is often required prior to or concomitant with implant placement. With the limitations of many existing technologies, a biologically compatible synthetic bone grafting substitute that is osteogenic, bioerodible, and provides spacing-making functionality while acting as a drug delivery vehicle for bioactive molecules could provide an alternative to ‘gold standard’ techniques. In the first part of this work, calcium sulfate (CS) space-making synthetic bone grafts with uniformly embedded poly(β-amino ester) (PBAE) biodegradable hydrogel particles was developed to allow controlled release of bioactive agents. The embedded gel particles’ influence on the physical and chemical characteristics of CS was tested. Namely, the compressive strength and modulus, dissolution, and morphology, were studied. All CS samples dissolved via zero-order surface erosion consistent to one another. Compression testing concluded that the amount, but not size, of embedded gel particles significantly decreased (up to 75%) the overall mechanical strength of the composite. Release studies were conducted to explore this system’s ability to deliver a broad range of drug types and sizes. Lysozyme (model protein for larger growth factors like bone morphogenic protein [BMP]) was loaded into PBAE particles embedded in CS matrix. The release of simvastatin, a small molecule drug capable of up regulating BMP production, was also examined. The release of both lysozyme and simvastatin was governed by dissolution of CS. The second part of this work proposed a bilayered CS implant. The physical and chemical properties were characterized similarly to the CS composites above. Release kinetics of directly loaded simvastatin in either the shell, core, or both were investigated. A sequential release of simvastatin was witnessed giving foresight of the composite’s tunability. The sequential release of an antibacterial, metronidazole, loaded into poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) particles embedded into the shell along with directly loaded simvastatin either in the shell, core, or both layers was also observed. Through controlled release of bioactive agents, as well as a tunable layered geometry, CS-based implants have the potential to be optimized in order to help streamline the steps required for the healing and regeneration of compromised bone tissue.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:33:28Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2004-08-31Bitstream added on 2014-06-13T19:44:16Z : No. of bitstreams: 1 marcaccini_am_dr_arafo.pdf: 3610599 bytes, checksum: 65fbbd0cb1b0657f1b361bf4e461a54e (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Os objetivos deste estudo foram avaliar o efeito de biomateriais associados ao PRP na formação óssea em defeitos padronizados de rádio e avaliar o efeito de PRP+RTG+enxerto ósseo autógeno para tratamento de lesões de furca grau II em cães. Para tal, em um primeiro estudo, foram confeccionados 5 defeitos de 5mm em cada rádio (direito e esquerdo) em 05 cães, constituindo assim espaços para preenchimento com os enxertos ou substitutos ósseos avaliados, totalizando 50 cavidades. Os materiais testados foram DFDBA, vidro bioativo, osso autógeno e osso mineral bovino, associados ou não ao PRP. Estes grupos foram avaliados e comparados com os grupos representados por coágulo sangüíneo e PRP. Ao final de 60 dias, foi realizada biópsia e preparo laboratorial para avaliação histológica e histomorfométrica. Os grupos que apresentaram melhores resultados foram coágulo, PRP e osso autógeno associado ou não a PRP; e a utilização do PRP não promoveu maior formação óssea em relação aos demais grupos, com exceção do vidro bioativo+PRP que apresentou os melhores resultados. No segundo estudo, foram criados cirurgicamente defeitos periodontais de furca nos quartos pré-molares mandibulares, bilateralmente em 5 cães, cronificados por um período de três meses e tratados por PRP/RTG/enxerto ósseo autógeno (grupo experimental) ou RTG/enxerto ósseo autógeno (grupo controle). Quatro meses após o tratamento, os cães foram sacrificados. Na área de furca, houve maior preenchimento ósseo e extensão linear de novo cemento, nova adaptação conjuntiva e regeneração periodontal no grupo experimental (p<0.005) e maior extensão linear de epitélio no grupo controle (p<0.005). A associação do PRP a RTG e enxerto ósseo autógeno proporcionou maior regeneração dos tecidos periodontais. Portanto, o PRP promoveu melhores resultados na formação óssea somente... . / The aims of this study were to evaluate the effect of biomaterials in association to PRP on bone formation, in padronized defects of radius, and evaluate the effect of PRP/GTR/autogenous bone graft in the treatment of Class II furcation lesions in dogs. For that, in a first study, five defects of 5mm each were produced in each radius (left and right) in 5 dogs, so creating spaces to be filled with grafts or the bone substitutes under study, totalling 50 cavities. The biomaterials tested were DFDBA, bioglass, autogenous bone and bovine mineral bone grafts, associated, or not, with PRP. These biomaterials were compared with coagulum and PRP. At the end of 60 days biopsy was done and histological laminas were prepared. Under the experimental condictions, coagulum, PRP and autogenous bone associated or not to PRP presented the best results, with more new bone formation; and no difference was observed between the groups with biomaterials, associated or not with PRP, excepting bioactive glass/PRP which showded the best results. In the second study, periodontal furcation defects were surgically produced bilaterally in the fourth mandibular premolars in 5 dogs, cronified for 3 months and treated with PRP/GTR/autogenous bone graft (experimental group) or GTR/autogenous bone graft (control group). Four months after the treatment, the dogs were sacrified. In the furcation area, more bone filling and linear extension of new cement, new conjunctive adaptation and periodontal regeneration were observed to occur in the experimental group (p<0.005) and more linear extension of epitelium in the control group (p<0.005). The association PRP/GTR/autogenous bone graft was observed to produce more regeneration of periodontal tissues. Therefore, the PRP association showed the best results in bone formation only at bioactive glass group; and... (Complete abstract, click electronic address below).

Orientador: Elcio Marcantonio Junior / Banca: Joni Augusto Cirelli / Banca: Enilson Antonio Sallum / Banca: Luis Carlos Spolidorio / Banca: Paulo Tambasco de Oliveira / Resumo: Os objetivos deste estudo foram avaliar o efeito de biomateriais associados ao PRP na formação óssea em defeitos padronizados de rádio e avaliar o efeito de PRP+RTG+enxerto ósseo autógeno para tratamento de lesões de furca grau II em cães. Para tal, em um primeiro estudo, foram confeccionados 5 defeitos de 5mm em cada rádio (direito e esquerdo) em 05 cães, constituindo assim espaços para preenchimento com os enxertos ou substitutos ósseos avaliados, totalizando 50 cavidades. Os materiais testados foram DFDBA, vidro bioativo, osso autógeno e osso mineral bovino, associados ou não ao PRP. Estes grupos foram avaliados e comparados com os grupos representados por coágulo sangüíneo e PRP. Ao final de 60 dias, foi realizada biópsia e preparo laboratorial para avaliação histológica e histomorfométrica. Os grupos que apresentaram melhores resultados foram coágulo, PRP e osso autógeno associado ou não a PRP; e a utilização do PRP não promoveu maior formação óssea em relação aos demais grupos, com exceção do vidro bioativo+PRP que apresentou os melhores resultados. No segundo estudo, foram criados cirurgicamente defeitos periodontais de furca nos quartos pré-molares mandibulares, bilateralmente em 5 cães, cronificados por um período de três meses e tratados por PRP/RTG/enxerto ósseo autógeno (grupo experimental) ou RTG/enxerto ósseo autógeno (grupo controle). Quatro meses após o tratamento, os cães foram sacrificados. Na área de furca, houve maior preenchimento ósseo e extensão linear de novo cemento, nova adaptação conjuntiva e regeneração periodontal no grupo experimental (p<0.005) e maior extensão linear de epitélio no grupo controle (p<0.005). A associação do PRP a RTG e enxerto ósseo autógeno proporcionou maior regeneração dos tecidos periodontais. Portanto, o PRP promoveu melhores resultados na formação óssea somente... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo). / Abstract: The aims of this study were to evaluate the effect of biomaterials in association to PRP on bone formation, in padronized defects of radius, and evaluate the effect of PRP/GTR/autogenous bone graft in the treatment of Class II furcation lesions in dogs. For that, in a first study, five defects of 5mm each were produced in each radius (left and right) in 5 dogs, so creating spaces to be filled with grafts or the bone substitutes under study, totalling 50 cavities. The biomaterials tested were DFDBA, bioglass, autogenous bone and bovine mineral bone grafts, associated, or not, with PRP. These biomaterials were compared with coagulum and PRP. At the end of 60 days biopsy was done and histological laminas were prepared. Under the experimental condictions, coagulum, PRP and autogenous bone associated or not to PRP presented the best results, with more new bone formation; and no difference was observed between the groups with biomaterials, associated or not with PRP, excepting bioactive glass/PRP which showded the best results. In the second study, periodontal furcation defects were surgically produced bilaterally in the fourth mandibular premolars in 5 dogs, cronified for 3 months and treated with PRP/GTR/autogenous bone graft (experimental group) or GTR/autogenous bone graft (control group). Four months after the treatment, the dogs were sacrified. In the furcation area, more bone filling and linear extension of new cement, new conjunctive adaptation and periodontal regeneration were observed to occur in the experimental group (p<0.005) and more linear extension of epitelium in the control group (p<0.005). The association PRP/GTR/autogenous bone graft was observed to produce more regeneration of periodontal tissues. Therefore, the PRP association showed the best results in bone formation only at bioactive glass group; and... (Complete abstract, click electronic address below). / Doutor