Made available in DSpace on 2016-08-17T18:39:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4169.pdf: 1866763 bytes, checksum: 38d468ca7232537d6952ee24e68d0593 (MD5) Previous issue date: 2011-08-29 / Universidade Federal de Minas Gerais / Due to limited availability of autogenous bone and of the risks associated with the use of bone allografts, new synthetic materials have been developed in order to replace the bone tissue lost due to trauma or pathological process. The bioactive materials in the form of scaffolds are synthetic materials promising for bone grafting. Several studies suggest that these biomaterials are able to stimulate the proliferation of osteoblasts and osteogenesis at the site of fracture. However, the feasibility of these biomaterials to a clinical application requires the investigation of their biocompatibility. In this context, this study aimed to evaluate the biocompatibility of a scaffold synthesized from a fully crystallized glass-ceramic bioactive quaternary system P2O5-Na2O-CaO-SiO2 (Biosilicate®), through histopathological analysis of the biomaterial implanted in the subcutaneous tissue of rats and the cytotoxicity and genotoxicity analysis of the biomaterial in cell cultures (OSTEO-1 and L929 cells). Histopathologic analysis of the biomaterial was performed using 65 Wistar rats male (210- 260 g), randomly divided into two groups, Control group (n = 3 animals per period) and Biosilicate group (n = 10 animals per period), evaluated at 7, 15, 30, 45 and 60 days after surgery. The animals of Biosilicate group underwent surgery and received a subcutaneous implant of Biosilicate® scaffolds. The animals of Control group underwent surgery but did not receive any biomaterial implant. The cytotoxicity analysis was performed to assess the effect of products leaching from Biosilicate® scaffolds (extracts) on cellular proliferation (MTT). The extracts were evaluated in various concentrations (100, 50, 25 and 12.5%) in experimental periods of 24, 72 and 120 hours in two cell lines (OSTEO-1 and L929). The genotoxicity analysis (comet assay) was performed to assess DNA damage in cells OSTEO-1 and L929 grown in contact with the Biosilicate® scaffolds in different periods of 24, 72 and 96 horas. The statistical analysis of parametrics data was performed by analysis of variance (ANOVA) followed by Tukey post-hoc and the analysis of nonparametrics data was performed by Mann-Whitney test. Both statistical tests were performed with a significance level of 5%. The results of histopathological analysis showed that the animals of the Control group did not present inflammation process, necrotic tissue and fibrous tissue. The animals of Biosilicato group showed a granulation tissue after 7 days of implantation. In the other periods (15, 30, 45 and 60 days) a chronic inflammation process of foreign body, marked by the presence of fibrous tissue and giant cells was observed. No infection or necrotic tissue was observed in any animal. In the analysis of cytotoxicity, it was observed that extracts of Biosilicato® scaffolds did not have any significant effect in reducing cell proliferation OSTEO-1 and L929, and that lower concentrations of the extracts (12.5 and 25%) stimulated the proliferation of both cells in periods of 72 and 120 hours. The analysis of genotoxicity showed that the Biosilicate® scaffolds did not induce DNA damage in the cell lines tested in all experimental periods. The results of this study showed that the Biosilicate® scaffolds presented biocompatibility in vivo and in vitro. / Devido a limitada disponibilidade de osso autógeno e dos riscos associados ao uso de osso alógeno, novos materiais sintéticos vêm sendo desenvolvidos com o objetivo de substituir o tecido ósseo perdido em decorrência de traumatismos ou processos patológicos. Os materiais bioativos na forma de scaffolds são materiais sintéticos promissores para enxertia óssea. Vários estudos sugerem que estes biomateriais são capazes de estimular a proliferação de osteoblastos e a osteogênese no local da fratura. No entanto, a viabilização destes biomateriais a uma aplicação clínica requer o emprego de testes que avaliem a sua biocompatibilidade. Dentro deste contexto, o presente estudo teve como objetivo avaliar a biocompatibilidade do scaffold sintetizado a partir de uma vitrocerâmica bioativa totalmente cristalizada do sistema quaternário P2O5-Na2O-CaO-SiO2 (Biosilicato®), por meio da análise histopatológica do biomaterial implantado no tecido subcutâneo de ratos, e pelas análises de citotoxicidade e genotoxicidade do biomaterial em cultura de células da linhagem OSTEO-1 e L929. A análise histopatológica do biomaterial foi realizada utilizando 65 ratos machos da linhagem Wistar (210-260 g), distribuídos aleatoriamente em dois grupos, Controle (n = 3 animais por período) e Biosilicato (n = 10 animais por período), avaliados em períodos distintos de 7, 15, 30, 45 e 60 dias. Os animais do grupo Biosilicato foram submetidos a uma cirurgia no tecido subcutâneo e receberam um implante de scaffold de Biosilicato®. Os animais do grupo Controle foram submetidos à mesma cirurgia, mas não receberam o implante do biomaterial. A análise de citotoxicidade foi realizada para avaliar os efeitos dos produtos da lixiviação dos scaffolds de Biosilicato® (extratos) na proliferação celular pelo ensaio MTT. Os extratos foram avaliados em várias concentrações (100, 50, 25 e 12,5%) em períodos experimentais de 24, 72 e 120 horas, utilizando duas linhagens celulares (OSTEO-1 e L929). A análise de genotoxicidade (ensaio cometa) foi realizada para avaliar os danos no DNA de células OSTEO-1 e L929 cultivadas em contato com scaffolds de Biosilicato® em períodos distintos de 24, 72 e 96 horas. A análise estatística dos dados paramétricos foi realizada pelo teste de variância (ANOVA), seguido do post-hoc de Tukey, e a análise dos dados não paramétricos foi realizada pelo teste de Mann-Whitney. Ambos os testes estatísticos foram realizados com nível de significância de 5%. Os resultados da análise histopatológica demonstraram que os animais do grupo Controle não apresentaram processo inflamatório, tecido necrótico ou tecido fibroso. Já os animais do grupo Biosilicato apresentaram um tecido de granulação após 7 dias de implantação e nos demais períodos (15, 30, 45 e 60 dias) apresentaram um processo inflamatório crônico de corpo estranho, marcado pela presença de tecido fibroso e células gigantes multinucleadas. Em todos os animais avaliados não foi evidenciado foco de infecção ou tecido necrótico. Na análise de citotoxicidade foi observado que os extratos dos scaffolds de Biosilicato® não possuem efeito significativo na redução da proliferação de células OSTEO-1 e L929, e que as menores concentrações dos extratos (12,5 e 25%) estimularam a proliferação de ambas às células nos períodos de 72 e 120 horas. Na análise de genotoxicidade foi evidenciado que os scaffolds de Biosilicato® não induzem danos do DNA de células de ambas às linhagens testadas em todos os períodos experimentais. Os resultados obtidos neste estudo demonstraram que os scaffolds de Biosilicato® apresentaram biocompatibilidade em experimentos in vivo e in vitro.

Magnesium and its alloys have been considered for load-bearing implant materials due to their similar mechanical properties to the natural bone, excellent biocompatibility, good bioactivity, and biodegradation. Nevertheless, the uncontrollable corrosion rate in biological environment restrains their application. Hydroxyapatite (HA, Ca10(PO4)6(OH)2) is a widely used bio-ceramic which has bone-like mineral structure for bone fixation. Poor fracture toughness of HA makes it not suitable for load-bearing application as a bulk. Thus, HA is introduced into metallic surface in various forms for improving biocompatibility. Recently friction stir processing (FSP) has emerged as a surface modification tool for surface/substrate grain refinement and homogenization of microstructure in biomaterial. In the pressent efforts, Mg-nHA composite surface on with 5-20 wt% HA on Mg substrate were fabricated by FSP for biodegradation and bioactivity study. The results of electrochemical measurement indicated that lower amount (~5% wt%) of Ca in Mg matrix can enhance surface localized corrosion resistance. The effects of microstructure,the presence of HA particle and Mg-Ca intermetallic phase precipitates on in vitro behavior of Mg alloy were investigated by TEM, SEM, EDX,XRD ,and XPS. The detailed observations will be discussed during presentation.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:18:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3309.pdf: 4224881 bytes, checksum: 86928c516da5db9abcf5f60af6b27178 (MD5) Previous issue date: 2010-08-26 / Financiadora de Estudos e Projetos / Osteoporosis is a systemic skeletal disease characterized by low bone density and microarchitectural deterioration of bone tissue, with consequent increase of the risk of fractures. Frequently, the lower mineral density due to osteoporosis leads to a delay in fracture healing rates and bone repair quality. Within this context, biochemical and biophysical resources have been studied in an attempt to enhance bone consolidation. Two of the most promising treatments are the use of low level laser therapy (LLLT) and bioactive materials. Several studies suggest that both resources are able to stimulate osteoblast proliferation and osteogenesis at the fracture site, promoting a greater deposition of bone mass. Thus, two studies were performed with the aim of evaluating the effects of LLLT (Ga-Al-As, 830nm, 100mW), with the fluences of 60J/cm² and 120J/cm² and a bioactive ceramic (Biosilicate®), used alone or associated on consolidation of bone defects induced in the tibiae of osteopenic rats. A total of 60 female Wistar rats (12 weeks-old, ± 250g) were submitted to ovariectomy (OVX) and, sixty days after the induction, a bone defect was performed in both tibiae of all animals. The animals were randomly divided into six groups (n=10). In the first study, the effects of LLLT on the bone repair of osteopenic rats were evaluated in three groups: group bone defect control without any treatment (GC); group bone defect irradiated with LLLT, at 60J/cm² (GL60); and group bone defect irradiated with LLLT, at 120J/cm² (GL120). The animals were submitted to laser irradiation at a single point on the bone defect for seven sessions, on alternated days. In the laser treated groups, at both fluences, it was possible to observe a greater amount of new bone formation compared to the control. Birefringence analysis demonstrated that irradiated bone defects presented greater deposition and improved the structural organization of collagen fibers, mainly in the group treated with the laser, at 120J/cm². COX-2, CBFA-1 and VEGF immunoreactivity was detected in a similar manner either 60J/cm2 or 120J/cm2 fluences. However, no differences were observed in the biomechanical analysis. Therefore, the LLLT, at the two fluences used, improved the bone repair in the tibia of osteopenic rats. In the second study, the effects of Biosilicate® associated with LLLT on bone repair in osteopenic rats were analyzed in four groups: group bone defect control without any treatment (GC); group bone defect filled with Biosilicate® (GB); group bone defect filled with Biosilicate®, irradiated with LLLT, at 60J/cm2 (GBL60); and group bone defect filled with Biosilicate®, irradiated with LLLT, at 120J/cm2 (GBL120). Biosilicate® was used in the form of particles with granulometry of 180-212μm and the treated animals were irradiated with laser at a single point on the bone defect for seven sessions, on alternated days. The results demonstrated that the LLLT, with fluences of 60J/cm² and 120J/cm² stimulated the expression of COX-2 in the circumjacent cells of the biomaterial, increased of the collagen deposition and the biomechanical bone properties. Morphometric analysis revealed that the animals with bone defects filled with Biosilicate® and irradiated with laser, at 120J/cm² showed a higher amount of newly formed bone compared to the other groups. Thus, the LLLT, mainly in fluency 120J/cm² in contact with Biosilicate® improved the bone repair process in osteopenic rats. These findings are fundamental in elucidating the biological mechanisms involved in the repair of fractures with difficult consolidation, especially those associated with bone metabolic disease processes, such as osteoporosis. / A osteoporose é uma doença esquelética sistêmica caracterizada por baixa densidade óssea e deterioração da microarquitetura do tecido ósseo, com consequente aumento do risco de fraturas. Fraturas de difícil consolidação são comumente encontradas em pacientes osteoporóticos com altos índices de morbidade e mortalidade. Dentro desse contexto, recursos biofísicos e bioquímicos têm sido estudados na tentativa de minimizar o tempo de consolidação óssea, destacando-se o uso da terapia laser de baixa intensidade (LLLT) e dos materiais bioativos. Vários estudos sugerem que ambos os recursos são capazes de estimular a proliferação de osteoblastos e a osteogênese no local da fratura, promovendo uma maior deposição de massa óssea, fundamental para o processo de consolidação. Diante disso, foram realizados dois estudos com o objetivo de verificar os efeitos da LLLT (Ga-Al-As, 830nm, 100mW), nas fluências de 60J/cm² e 120J/cm² e de uma vitrocerâmica bioativa (Biosilicato®), utilizados independentemente ou associados, na consolidação de defeitos ósseos induzidos em tíbias de ratas osteopênicas. Um total de 60 ratas da linhagem Wistar (12 semanas de idade, ± 250g) foram submetidas à ovarectomia (OVX) e, sessenta dias após a indução, foi realizado um defeito ósseo em ambas as tíbias de todos os animais, os quais foram distribuídos aleatoriamente em seis grupos com dez animais cada. No primeiro estudo, foram avaliados os efeitos da LLLT sobre o reparo ósseo de ratas osteopênicas, a partir de três grupos experimentais: grupo controle com defeito ósseo sem tratamento (GC); grupo defeito ósseo tratado com laser 60J/cm² (GL60) e grupo defeito ósseo tratado com laser 120J/cm² (GL120). Os animais foram submetidos à irradiação laser em um único ponto sobre o defeito ósseo por sete sessões, em dias alternados. Nos grupos tratados com laser, em ambas as fluências, foi evidenciada uma maior quantidade de osso neoformado comparado ao controle. A análise de birrefringência demonstrou que os defeitos ósseos irradiados apresentaram maior deposição e melhor organização estrutural das fibras colágenas, principalmente no grupo tratado com laser na fluência de 120J/cm². A imunorreatividade à COX-2, CBFA-1 e VEGF foi detectada de forma similar nas duas fluências utilizadas e na análise biomecânica não houve diferença estatística significativa entre os grupos. Portanto, a LLLT, nas duas fluências utilizadas, estimulou o reparo ósseo em tíbias de ratas osteopênicas. No segundo estudo, foram analisados os efeitos do Biosilicato® associado à LLLT no reparo ósseo de ratas osteopênicas, a partir de quatro grupos experimentais: grupo controle com defeito ósseo sem tratamento (GC); grupo defeito ósseo preenchido com Biosilicato® (GB); grupo defeito ósseo preenchido com Biosilicato® e irradiado com LLLT, com fluência de 60J/cm² (GBL60); e grupo defeito ósseo preenchido com Biosilicato® e irradiado com LLLT, com fluência de 120J/cm² (GBL120). O Biosilicato® foi utilizado na forma de partículas com granulometria de 180-212μm e os animais tratados com laser foram irradiados em um único ponto sobre o defeito ósseo por sete sessões, em dias alternados. Os resultados demonstraram que a LLLT, nas fluências de 60J/cm² e 120J/cm², estimulou a expressão de COX-2 nas células circunjacentes ao biomaterial, promoveu aumento na deposição de fibras colágenas e na resposta biomecânica. A análise morfométrica revelou que os animais com defeitos ósseos preenchidos com Biosilicato® e submetidos à irradiação laser com fluência de 120J/cm² apresentaram maior área de osso neoformado quando comparados aos animais dos demais grupos. Desse modo, a LLLT, principalmente na fluência de 120J/cm², associada à aplicação do Biosilicato®, favoreceu o processo de reparo ósseo em defeitos induzidos em tíbias de ratas osteopênicas. Tais resultados são fundamentais na elucidação dos mecanismos biológicos envolvidos no reparo de fraturas de difícil consolidação, em especial àquelas associadas a processos patológicos osteometabólicos, como a osteoporose.

Made available in DSpace on 2016-08-17T18:39:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3621.pdf: 12488772 bytes, checksum: 3b893af6e3b0ea869fd5eda12f270c8a (MD5) Previous issue date: 2011-02-24 / Financiadora de Estudos e Projetos / Several resources have been studied in order to accelerate the process of bone repair. Among these resources, bioactive materials and low level laser therapy (LLLT) have gained prominence. Several studies suggest that both resources are able of stimulating osteoblast proliferation and osteogenesis at the fracture site, promoting a greater deposition of bone mass, which is fundamental for the consolidation process. Within this context, this project aimed to assess the effects of LLLT (_ = 830nm), with the fluencies of 120J/cm ² and scaffold Biosilicate®, used associated or not, on consolidation of induced tibial bone defects in the rats. In this study it was used 40 male Wistar rats (3 months ± 250g) divided into four groups (with 10 animals each): group control bone defect without any treatment (GC), group bone defect irradiated with LLLT 830nm (GL); group bone defect treated with implantation of scaffolds Biosilicate ® (GB); group bone defect treated with implantation of scaffolds Biosilicate ® and LLLT 830nm (GBL). The animals were submitted to laser irradiation (Ga-As-Al, 830nm, 100mW) at a single point on the bone defect for eight sessions, on alternate days. The euthanasia of animals occurred at day 15 after surgery, 24 hours after the last laser treatment session. Morphological analysis revealed that the laser group, showed better tissue organization in relation to other groups. Furthermore, morphometric analysis revealed that the irradiated animals showed a higher amount of newly formed bone compared to the other groups. The expression of COX-2 and RUNX-2/CBFA-1 were higher in GB and GBL groups. Also, biomechanical analysis revealed no statistical differences among experimental groups. From the results obtained in this study, it is possible to suggest that both treatments had osteogenic potential 15 days after surgery, but the LLLT was more effective in bone repair when compared to the biomaterials, or even when the two treatment modalities were associated. / Vários recursos têm sido estudados com o intuito de acelerar o processo de reparação óssea. Dentre esses recursos, os materiais bioativos e a Terapia Laser de Baixa Intensidade (LLLT) vêm se destacando, vários estudos sugerem que ambos os recursos são capazes de estimular a proliferação de osteoblastos e a osteogênese no local da fratura, promovendo maior deposição de massa óssea, fundamental para o processo de consolidação. Dentro deste contexto, esse projeto teve como objetivo verificar os efeitos da LLLT (_ = 830nm), com fluência de 120J/cm² e do scaffold de Biosilicato®, utilizados independentemente ou associados na consolidação de defeitos ósseos induzidos em tíbias de ratos. Foram utilizados 40 ratos machos da linhagem Wistar (3 meses de idade ± 250 gramas) distribuídos em 4 grupos experimentais com 10 animais cada: grupo controle com defeito ósseo e sem tratamento (GC); grupo defeito ósseo tratado com Laser 830nm (GL); grupo defeito ósseo tratado com implante de scaffolds de Biosilicato® (GB); grupo defeito ósseo tratado com implante de scaffolds de Biosilicato® e Laser 830nm (GBL). Os animais foram submetidos a irradiação Laser (Ga-As-Al, 830nm, 100mW) em um único ponto sobre o defeito ósseo por oito sessões de tratamento, em dias alternados. A eutanásia dos animais aconteceu no 15º dia após a cirurgia, 24 horas após a última sessão de tratamento Laser. A análise morfológica revelou que o grupo Laser, apresentou melhor organização tecidual em relação os demais grupos experimentais. Além disso, a análise morfométrica evidenciou uma maior quantidade de osso neoformado no grupo tratado com Laser comparado aos animais dos demais grupos. A expressão à COX-2 e a RUNX-2/CBFA-1 mostrou-se mais intensa nos grupos GB e GBL e na análise biomecânica não houve diferença estatística entre os grupos experimentais. A partir dos resultados obtidos neste estudo, pode-se sugerir que ambos os tratamentos apresentaram potencial osteogênico 15 dias após a cirurgia, porém a Terapia Laser de Baixa Intensidade foi mais eficaz no processo de reparo ósseo, quando comparado ao biomaterial, ou mesmo quando as duas modalidades de tratamento foram associadas.

Ce travail de thèse porte sur la caractérisation d’un matériau composite polyacide lactique-bioverre pour application comme dispositif de réparation osseuse. Le bioverre étant trop fragile pour être utilisé seul comme dispositif de réparation osseuse, celui-ci est associé à une matrice polymère résorbable permettant d’apporter le caractère bioactif à des matériaux pouvant être mis en forme par des procédés de plasturgie. Le matériau composite polyacide lactique-bioverre est ainsi mis en forme par injection à partir de granules élaborés par voie solvant. La caractérisation des propriétés de ce matériau composite a révélé une augmentation du module élastique avec l’ajout de charges, mais une diminution des contraintes maximales admissibles et de la déformation à la rupture. Les modifications des propriétés mécaniques ont été associées à une modification des propriétés de la matrice et notamment de sa masse moléculaire. Un autre mode d’élaboration par pressage à chaud a permis de limiter la dégradation du polymère. Une meilleure maitrise de la masse moléculaire du composite serait ainsi un moyen de contrôler sa cinétique de dégradation in vivo et ainsi d’adapter ses propriétés en fonction du cahier des charges des applications visées. Dans une seconde partie, l’effet du taux de bioverre sur le caractère bioactif du composite a été évalué par immersion dans un fluide biologique de composites chargés à 20, 30 et 50% (en masse de bioverre). Un scénario de cristallisation à la surface des différents composites a ainsi été proposé. Tous les composites se sont révélés bioactifs et d’autant plus que le taux de bioverre est élevé. Le composite chargé à 50% apparait ainsi comme le matériau le plus bioactif, mais sa vitesse de dégradation est très rapide. Ce matériau étant destiné à être implanté, une étude de biocompatibilité in vitro a été menée par culture de cellules ostéoblastiques à la surface des matériaux. Enfin la biocompatibilité du composite in vivo, son caractère biorésorbable et ostéoconducteur ont été évalués par implantation du matériau composite dans les tissus musculaires et osseux de lapins. Le caractère biocompatible, bioactif et ostéoconducteur du composite chargé à 30% en masse de bioverre en fait un candidat de choix pour les applications proposées. / The aim of this work was to evaluate polylactic acid- Bioglass® composites for bone repair applications. Bioglass being too brittle to be used alone for load bearing applications, our strategy was to incorporate bioactive Bioglass® particles into a bioresorbable polymer matrix processed by conventional manufacturing techniques. The composite were processed by injection moulding from granules prepared by a solvent route. The composites exhibit higher Young modulus but lower strength and strain to failure than polymer alone. This is attributed to a decrease of molecular weight of the polymer matrix during the different steps of the process. Another processing method (hot pressing) was used to limit the drop in molecular weight of the polymer matrix: it leads to higher mechanical properties. Therefore, a careful control of the Polymer degradation may insure better mechanical properties and a better control of the degradation rate in vivo. The bioactivity of composites with 20, 30, 50 Wt. % of Bioglass® was a assessed by immersion in simulated body fluid. All the composites are bioactive, and all the more since the Bioglass® content is large. On the other side, the degradation of composites with a Bioglass® content of 50 wt. % is very rapid. Biological evaluation was conducted in vitro and in vivo. Osteoblast cell cultures and in vivo evaluation in rabbits demonstrate that polylactic acid - Bioglass® composites are biocompatible and osteoconductive. Such composites may therefore be a good option for bone repair applications in the future.