O objetivo do presente estudo foi avaliar histologicamente e histomorfometricamente a resposta óssea a três composições de Biosilicato com diferentes fases de cristalização (Vítreo, 1F e 2F) comparando-as com o Bioglass®45S5, que foi empregado como controle. Cilindros de Biosilicato 2F, Biosilicato 1F, Biosilicato®vítreo e Bioglass®45S5 foram implantados em fêmur de coelhos e as amostras obtidas após 8 e 12 semanas da colocação, sendo as mesmas preparadas para análise histológica e histomorfométrica utilizando microscopia de luz. Nesses períodos foi avaliada a resposta óssea e o contato direto osso/implante na porção cortical e no canal medular do fêmur de todos os materiais. A maior quantidade de contato osso implante na região cortical, após 8 semanas, foi observada no material Biosilicato 2F, seguido pelo Biosilicato 1F, Bioglass®45S5 e Biosilicato®vítreo. A análise estatística não evidenciou diferença estatisticamente significante entre os materiais Biosilicato 1F e 2F (p=0,06). Entretanto, nesse período, esses materiais mostraram diferenças estatisticamente significantes em relação aos materiais Biosilicato®vítreo e Bioglass®45S5 (p=0,02). Após 12 semanas o Biosilicato 2F também apresentou os melhores resultados, seguido pelo Bioglass®45S5, Biosilicato®vítreo e Biosilicato 1F, sem contudo serem observadas diferenças estatisticamente significantes (p>0,05). Avaliando a porção medular no período de 8 semanas, observa-se maior formação óssea ao redor do implante de Biosilicato®vítreo, seguido pelos implantes de Bioglass®45S5, Biosilicato 2F e Biosilicato 1F. Decorridas 12 semanas, observa-se melhor resposta óssea nos implantes de Biosilicato 1F, seguido pelos implantes de Biosilicato 2F, Biosilicato®vítreo e Bioglass®45S5, sem contudo serem observadas diferenças estatisticamente significantes entre os materiais ou tempos analisados. Os resultados do presente trabalho demonstram o excelente comportamente biológico das cerâmicas de Biosilicato®. / The aim of this study was to investigate the histological and histomorphometric bone responses to three Biosilicate® with different crystal phases (Vítreo, 1F and 2F) compared to Bioglass®45S5 used as control. Rods of Biosilicate 2F, Biosilicate 1F, Biosilicate®vítreo, and Bioglass45S5 were implanted in rabbits femurs. Implants were harvested at 8 and 12 weeks and prepared for histological and histomorphometric analyses at light microscope level. At these periods bone response and bone-to-implant contact were evaluated at cortical and medullar portion. Considering bone-to-Implant contact at cortical portion Biosilicate 2F presented the highest bone formation, followed by Biosilicate 1F, Bioglass®45S5, and Biosilicate®vítreo (eight weeks). Biosiliacate 1F and 2F presented similar results with no statistic difference (p=0,06). However, in this period Biosilicate 2F demonstrated higher values than Bioglass®45S5 and Biosilicato®vítreo (p=0,02). After twelve weeks direct bone contact was similar between all tested materials (Biosilicate 2F > Bioglass®45S5 > Biosilicate®vítreo > Biosilicate 1F) with no statistically significant difference (p>0,05). When medullar portion was evaluated Biosilicate®vítreo presented a higher amount of new formed bone followed by Bioglass®45S5, Biosilicate 2F, and Biosilicate 1F (eight weeks). After twelve weeks Biosilicate 1F demonstrated the best result, followed by Biosilicate 2F, Biosilicate®vítreo, and Bioglass®45S5. No statistically significant difference between the materials or the periods was observed (p>0,05).All the Biosilicate® glassceramics appeared to have an excellent behavior at biological environment.

O objetivo do presente estudo foi avaliar histologicamente e histomorfometricamente a resposta óssea a três composições de Biosilicato com diferentes fases de cristalização (Vítreo, 1F e 2F) comparando-as com o Bioglass®45S5, que foi empregado como controle. Cilindros de Biosilicato 2F, Biosilicato 1F, Biosilicato®vítreo e Bioglass®45S5 foram implantados em fêmur de coelhos e as amostras obtidas após 8 e 12 semanas da colocação, sendo as mesmas preparadas para análise histológica e histomorfométrica utilizando microscopia de luz. Nesses períodos foi avaliada a resposta óssea e o contato direto osso/implante na porção cortical e no canal medular do fêmur de todos os materiais. A maior quantidade de contato osso implante na região cortical, após 8 semanas, foi observada no material Biosilicato 2F, seguido pelo Biosilicato 1F, Bioglass®45S5 e Biosilicato®vítreo. A análise estatística não evidenciou diferença estatisticamente significante entre os materiais Biosilicato 1F e 2F (p=0,06). Entretanto, nesse período, esses materiais mostraram diferenças estatisticamente significantes em relação aos materiais Biosilicato®vítreo e Bioglass®45S5 (p=0,02). Após 12 semanas o Biosilicato 2F também apresentou os melhores resultados, seguido pelo Bioglass®45S5, Biosilicato®vítreo e Biosilicato 1F, sem contudo serem observadas diferenças estatisticamente significantes (p>0,05). Avaliando a porção medular no período de 8 semanas, observa-se maior formação óssea ao redor do implante de Biosilicato®vítreo, seguido pelos implantes de Bioglass®45S5, Biosilicato 2F e Biosilicato 1F. Decorridas 12 semanas, observa-se melhor resposta óssea nos implantes de Biosilicato 1F, seguido pelos implantes de Biosilicato 2F, Biosilicato®vítreo e Bioglass®45S5, sem contudo serem observadas diferenças estatisticamente significantes entre os materiais ou tempos analisados. Os resultados do presente trabalho demonstram o excelente comportamente biológico das cerâmicas de Biosilicato®. / The aim of this study was to investigate the histological and histomorphometric bone responses to three Biosilicate® with different crystal phases (Vítreo, 1F and 2F) compared to Bioglass®45S5 used as control. Rods of Biosilicate 2F, Biosilicate 1F, Biosilicate®vítreo, and Bioglass45S5 were implanted in rabbits femurs. Implants were harvested at 8 and 12 weeks and prepared for histological and histomorphometric analyses at light microscope level. At these periods bone response and bone-to-implant contact were evaluated at cortical and medullar portion. Considering bone-to-Implant contact at cortical portion Biosilicate 2F presented the highest bone formation, followed by Biosilicate 1F, Bioglass®45S5, and Biosilicate®vítreo (eight weeks). Biosiliacate 1F and 2F presented similar results with no statistic difference (p=0,06). However, in this period Biosilicate 2F demonstrated higher values than Bioglass®45S5 and Biosilicato®vítreo (p=0,02). After twelve weeks direct bone contact was similar between all tested materials (Biosilicate 2F > Bioglass®45S5 > Biosilicate®vítreo > Biosilicate 1F) with no statistically significant difference (p>0,05). When medullar portion was evaluated Biosilicate®vítreo presented a higher amount of new formed bone followed by Bioglass®45S5, Biosilicate 2F, and Biosilicate 1F (eight weeks). After twelve weeks Biosilicate 1F demonstrated the best result, followed by Biosilicate 2F, Biosilicate®vítreo, and Bioglass®45S5. No statistically significant difference between the materials or the periods was observed (p>0,05).All the Biosilicate® glassceramics appeared to have an excellent behavior at biological environment.

Le développement de matériaux biocompatibles permettant la vectorisation de principes actifs est particulièrement souhaitable dans le cadre de la réparation osseuse liée à certaines pathologies. Dans la première partie de ce mémoire, nous décrivons la synthèse et la caractérisation de verres de phosphates de calcium dopés avec du gallium qui est un agent inhibiteur de la résorption osseuse. Les modifications du réseau phosphate sont étudiées par RMN du 31P et les différents environnements locaux du Ga3+ sont mis en évidence par RMN du 71Ga en utilisant des conditions expérimentales spécifiques (très haut champ magnétique de 20T et rotation de l’échantillon ultra-rapide). Le comportement en solution de ces verres a été étudié par RMN et par ICP-AES. Les résultats obtenus indiquent qu’ils sont soumis à une dissolution quasi-congruente et que l’ajout de Ga3+ augmente leur durabilité chimique. La seconde partie de ce travail est dédiée à l’étude d’un verre bioactif utilisé en chirurgie réparatrice osseuse : le Bioglass® 45S5 (système SiO2-CaO-Na2O-P2O5). L’utilisation d’expériences RMN de double résonance a permis d’apporter des éléments de réponse sur le type d’association entre les groupements phosphates et le réseau silicate. Après immersion de ce verre dans un fluide physiologique simulé (SBF), un suivi quantitatif des espèces, initiales et formées à la surface du verre, a été réalisé par RMN. Les résultats obtenus par RMN et par d’autres techniques de caractérisation montrent que l’hydroxyapatite carbonatée se formant en surface du verre présente de grandes similitudes avec les apatites biologiques. / The development of biocompatible materials allowing the local delivery of specific drugs is of high interest to repair pathological bone defects. The first part of this manuscript describes the synthesis and the characterisation of calcium phosphates glasses doped with gallium, which is a bone resorption inhibitor. The nature of the phosphate network is probed by 31P NMR and the Ga3+ local environments are studied 71Ga NMR at very high magnetic field (20T) and ultra-fast spinning frequency. The leaching behaviour of these glasses is investigated by NMR and ICP-AES. The obtained results indicate that the glass dissolution is nearly congruent and that Ga3+ doping improves the chemical durability. The second part of this work is dedicated to the study of the Bioglass® 45S5 which is a bioactive glass (SiO2-CaO-Na2O-P2O5 glassy system) used in bone repair surgery. Double-resonance NMR experiments are used to obtain information about the association between the phosphate units and the silicate network. NMR analyses are also used to characterize quantitatively the various species formed at the glass surface after immersion into a simulated body fluid for varying periods. Results obtained from NMR and other characterization methods revealed that the carbonated hydroxyapatite formed at glass surface shows strong similarities with biological apatites.

Le développement de matériaux biocompatibles permettant la vectorisation de principes actifs est particulièrement souhaitable dans le cadre de la réparation osseuse liée à certaines pathologies. Dans la première partie de ce mémoire, nous décrivons la synthèse et la caractérisation de verres de phosphates de calcium dopés avec du gallium qui est un agent inhibiteur de la résorption osseuse. Les modifications du réseau phosphate sont étudiées par RMN du 31P et les différents environnements locaux du Ga3+ sont mis en évidence par RMN du 71Ga en utilisant des conditions expérimentales spécifiques (très haut champ magnétique de 20T et rotation de l'échantillon ultra-rapide). Le comportement en solution de ces verres a été étudié par RMN et par ICP-AES. Les résultats obtenus indiquent qu'ils sont soumis à une dissolution quasi-congruente et que l'ajout de Ga3+ augmente leur durabilité chimique. La seconde partie de ce travail est dédiée à l'étude d'un verre bioactif utilisé en chirurgie réparatrice osseuse : le Bioglass® 45S5 (système SiO2-CaO-Na2O-P2O5). L'utilisation d'expériences RMN de double résonance a permis d'apporter des éléments de réponse sur le type d'association entre les groupements phosphates et le réseau silicate. Après immersion de ce verre dans un fluide physiologique simulé (SBF), un suivi quantitatif des espèces, initiales et formées à la surface du verre, a été réalisé par RMN. Les résultats obtenus par RMN et par d'autres techniques de caractérisation montrent que l'hydroxyapatite carbonatée se formant en surface du verre présente de grandes similitudes avec les apatites biologiques.

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.