Biomaterials are defined as non-viable materials whose functions strives to interact with biological systems, this makes biomaterials suitable for medical devices and applications. Biomaterials biological properties must be thoroughly investigated and evaluated in order to be approved for clinical usage. In vitro studies are used to characterize the materials biological properties, if promising results are achieved in vitro, in vivo studies may be performed to ensure that the material can interact with living animal models in the intended way. However, for a biomaterial such as calcium-deficient hydroxyapatite there is a gap between results observed in vitro and in vivo studies. Microfluidic systems have been highlighted as a possible evaluation model to achieve reliable results for in vitro studies. The aim of this thesis was to compare and evaluate a biomaterial- on-a-chip, i.e., a biomaterial integrated in a dynamic microfluidic system, with a traditional static in vitro system in the regards of drug release and protein adsorption. Two chemically identical calcium-deficient hydroxyapatites but with different topographies were integrated in the microfluidic system and manufactured as discs for static evaluation. Results from drug release and protein adsorption studies showed different behaviours for dynamic and static control, which is significant since it indicates that the outcome of the characterization correlates to the evaluation model used.

Este trabalho visou a produção de suportes para crescimento celular constituídos de compósitos de poli(L-lactídeo) (PLLA) e diversos tipos de fosfatos de cálcio (CaP). A hidroxiapatita deficiente em cálcio (HAD) e o fosfato octacálcico (OCP) em tamanhos submicrométricos foram sintetizados. Hidroxiapatita (HA) e o β-fosfato tricálcico (β-TCP) foram adquiridos da Sigma-Aldrich. Uma mistura de HAD:β-TCP (7:3) também foi preparada. Para melhorar a dispersão da fase mineral em uma matriz polimérica de PLLA, utilizou-se cloreto de lauroíla para funcionalizar a superfície dos CaP. Os espectros de infravermelho e a análise termogravimétrica confirmaram a presença de laurato na superfície de partículas de CaP. As partículas de HA pura também foram funcionalizadas com cloreto de lauroíla para fins comparativos. Compósitos de PLLA/CaP-laurato foram fabricados utilizando a técnica de eletrofiação. A funcionalização da superfície do CaP com laurato resultou em uma melhoria significativa na dispersão de partículas de CaP na matriz polimérica, permitindo a inclusão de até 40% da fase mineral sem comprometer as propriedades mecânicas. Microscopia eletrônica de varredura (SEM) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM) foram utilizadas para investigar a morfologia da fibra. A perda de massa e a liberação de cálcio dos suportes durante a degradação em uma solução salina tamponada com fosfato (PBS) foram medidas. HAD e OCP se mostraram ser mais solúveis do que HA e HAD:β-TCP (7:3). A bioatividade dos compósitos foi investigada por imersão das fibras em um fluido corporal simulado (SBF) a 37 °C e pH 7.4. Embora todos os suportes de PLLA/CaP-laurato foram capazes de formar uma camada de apatita em sua superfície após a exposição em SBF, os resultados demonstraram um aumento significativo na mineralização quando HAD, OCP e HAD:β-TCP (7:3) são a fase mineral no compósito em vez da HA. Além disso, malhas produzidas a partir das fibras eletrofiadas de PLLA/CaP-laurato, utilizadas como suporte para crescimento celular, favoreceram a adesão e proliferação de células de fibroblastos de camundongo (NIH-3T3) e células tronco mesenquimais de dentes decíduos humanos (SHED). Finalmente, suportes a partir das malhas PLLA/HAD-laurato e PLLA/OCP-laurato apresentaram melhor desempenho para acelerar a calcificação in vitro como resultado da osteoindução de células SHED e de células pré-osteoblásticas derivadas de calvária de rato (MC3T3-E1) se comparados aqueles contendo HA e HAD:β-TCP (7:3). Esses novos materiais são propostos como biocompósitos de rápida degradação de CaP, para serem utilizados em aplicações de regeneração óssea em ortodontia e ortopedia. / This work aimed at the generation of scaffolds for cellular growth constituted by poly(L-lactide) (PLLA) and several types of calcium phosphate (CaP). Calcium deficient hydroxyapatite (HAD) and octacalcium phosphate (OCP) were synthesized in submicrometer sizes. Hydroxyapatite (HA) and β-tricalcium phosphate (β-TCP) were purchased from Sigma-Aldrich. A mixture of HAD:β-TCP (7:3) also was prepared. In order to improve the dispersion of the mineral phase in a PLLA polymeric matrix, lauroyl chloride was used to functionalize the surface of CaP. Infrared spectra and thermal gravimetric analysis confirmed the presence of laurate on the surface of CaP particles. Neat HA particles were also functionalized with lauryl chloride for comparative purposes. Composites of PLLA/CaP-laurate were fabricated by electrospinning method. The functionalization of CaP surfaces resulted in significant improvement of the dispersion of CaP particles into the polymeric matrix, allowing inclusion of up to 40% of mineral phase without compromising its mechanical properties. Scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) were employed to investigate the morphology of the fibers. The mass loss and calcium release of the scaffolds during degradation in phosphate buffered saline (PBS) were measured. HAD and OCP are more soluble than HA and HAD:β-TCP (7:3). The bioactivity of the composites was investigated by immersing the fibers in a simulated body fluid (SBF) at 37°C and pH 7.4. Although all PLLA/CaP-laurate can form apatite precipitation on their surface after exposition to SBF, the results demonstrate a significant enhancement in the mineralization when HAD, OCP and HAD:β-TCP (7:3) are the mineral phase in the composite instead of HA. Furthermore, mats obtained from PLLA/CaP-laurate electrospun fibers favored the mouse fibroblast cells (NIH-3T3) and stem cells from human exfoliated deciduous teeth (SHED) attachment and proliferation. Finally, PLLA/HAD-laurate and PLLA/OCP-laurate meshes showed better performance in accelerate the calcium phosphate mineralization on its surface as a result of the in vitro osteoinduction of SHEDs and calvaria derived mouse preosteoblastic cells (MC3T3-E1) if compared of those containing HA and HAD:β-TCP (7:3). These new materials are proposed as fast degradation CaP biocomposites to be used in bone regeneration applications in orthodontics and orthopedics.

Este trabalho visou a produção de suportes para crescimento celular constituídos de compósitos de poli(L-lactídeo) (PLLA) e diversos tipos de fosfatos de cálcio (CaP). A hidroxiapatita deficiente em cálcio (HAD) e o fosfato octacálcico (OCP) em tamanhos submicrométricos foram sintetizados. Hidroxiapatita (HA) e o β-fosfato tricálcico (β-TCP) foram adquiridos da Sigma-Aldrich. Uma mistura de HAD:β-TCP (7:3) também foi preparada. Para melhorar a dispersão da fase mineral em uma matriz polimérica de PLLA, utilizou-se cloreto de lauroíla para funcionalizar a superfície dos CaP. Os espectros de infravermelho e a análise termogravimétrica confirmaram a presença de laurato na superfície de partículas de CaP. As partículas de HA pura também foram funcionalizadas com cloreto de lauroíla para fins comparativos. Compósitos de PLLA/CaP-laurato foram fabricados utilizando a técnica de eletrofiação. A funcionalização da superfície do CaP com laurato resultou em uma melhoria significativa na dispersão de partículas de CaP na matriz polimérica, permitindo a inclusão de até 40% da fase mineral sem comprometer as propriedades mecânicas. Microscopia eletrônica de varredura (SEM) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM) foram utilizadas para investigar a morfologia da fibra. A perda de massa e a liberação de cálcio dos suportes durante a degradação em uma solução salina tamponada com fosfato (PBS) foram medidas. HAD e OCP se mostraram ser mais solúveis do que HA e HAD:β-TCP (7:3). A bioatividade dos compósitos foi investigada por imersão das fibras em um fluido corporal simulado (SBF) a 37 °C e pH 7.4. Embora todos os suportes de PLLA/CaP-laurato foram capazes de formar uma camada de apatita em sua superfície após a exposição em SBF, os resultados demonstraram um aumento significativo na mineralização quando HAD, OCP e HAD:β-TCP (7:3) são a fase mineral no compósito em vez da HA. Além disso, malhas produzidas a partir das fibras eletrofiadas de PLLA/CaP-laurato, utilizadas como suporte para crescimento celular, favoreceram a adesão e proliferação de células de fibroblastos de camundongo (NIH-3T3) e células tronco mesenquimais de dentes decíduos humanos (SHED). Finalmente, suportes a partir das malhas PLLA/HAD-laurato e PLLA/OCP-laurato apresentaram melhor desempenho para acelerar a calcificação in vitro como resultado da osteoindução de células SHED e de células pré-osteoblásticas derivadas de calvária de rato (MC3T3-E1) se comparados aqueles contendo HA e HAD:β-TCP (7:3). Esses novos materiais são propostos como biocompósitos de rápida degradação de CaP, para serem utilizados em aplicações de regeneração óssea em ortodontia e ortopedia. / This work aimed at the generation of scaffolds for cellular growth constituted by poly(L-lactide) (PLLA) and several types of calcium phosphate (CaP). Calcium deficient hydroxyapatite (HAD) and octacalcium phosphate (OCP) were synthesized in submicrometer sizes. Hydroxyapatite (HA) and β-tricalcium phosphate (β-TCP) were purchased from Sigma-Aldrich. A mixture of HAD:β-TCP (7:3) also was prepared. In order to improve the dispersion of the mineral phase in a PLLA polymeric matrix, lauroyl chloride was used to functionalize the surface of CaP. Infrared spectra and thermal gravimetric analysis confirmed the presence of laurate on the surface of CaP particles. Neat HA particles were also functionalized with lauryl chloride for comparative purposes. Composites of PLLA/CaP-laurate were fabricated by electrospinning method. The functionalization of CaP surfaces resulted in significant improvement of the dispersion of CaP particles into the polymeric matrix, allowing inclusion of up to 40% of mineral phase without compromising its mechanical properties. Scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) were employed to investigate the morphology of the fibers. The mass loss and calcium release of the scaffolds during degradation in phosphate buffered saline (PBS) were measured. HAD and OCP are more soluble than HA and HAD:β-TCP (7:3). The bioactivity of the composites was investigated by immersing the fibers in a simulated body fluid (SBF) at 37°C and pH 7.4. Although all PLLA/CaP-laurate can form apatite precipitation on their surface after exposition to SBF, the results demonstrate a significant enhancement in the mineralization when HAD, OCP and HAD:β-TCP (7:3) are the mineral phase in the composite instead of HA. Furthermore, mats obtained from PLLA/CaP-laurate electrospun fibers favored the mouse fibroblast cells (NIH-3T3) and stem cells from human exfoliated deciduous teeth (SHED) attachment and proliferation. Finally, PLLA/HAD-laurate and PLLA/OCP-laurate meshes showed better performance in accelerate the calcium phosphate mineralization on its surface as a result of the in vitro osteoinduction of SHEDs and calvaria derived mouse preosteoblastic cells (MC3T3-E1) if compared of those containing HA and HAD:β-TCP (7:3). These new materials are proposed as fast degradation CaP biocomposites to be used in bone regeneration applications in orthodontics and orthopedics.

Ce travail a consisté à élaborer un biomatériau hybride constitué d’un tissu de fibres de carbone (TFC) revêtu de phosphates de calcium (CaP) déposés par un procédé de sono-électrodéposition et à étudier l’influence des paramètres expérimentaux sur la composition chimique, la microtexture et la structure des revêtements phosphocalciques, ainsi que la biocompatibilité in vitro du biomatériau hybride. La densité de courant s’est avérée être un paramètre important. Pour de fortes densités de courant (≥ 100 mA/g), un régime d’électrolyse rapide de l’eau entraîne la formation d’un dépôt aciculaire d’hydroxyapatite déficitaire en calcium (CaD-HAP) carbonatée avec la présence éventuelle d’une phase de calcite. Pour de faibles densités de courant (≤ 50 mA/g), un régime d’électrolyse lent de l’eau entraîne la formation d’un dépôt plaquettaire de CaD-HAP carbonatée issu de l’hydrolyse in situ du phosphate octocalcique plaquettaire préalablement précipité. Pour l’ensemble des dépôts, les particules sont constituées d’un coeur de CaD-HAP carbonatée de structure ordonnée et d’une surface hydratée de CaD-HAP carbonatée de structure désordonnée qui résulte de l’existence d’une zone de sursaturation lors de la précipitation des CaP. La sono-électrodéposition se révèle être un procédé versatile capable d’orienter la synthèse des phases de CaP, avec pour une faible densité de courant appliquée l’obtention d’un dépôt biomimétique comparable à la partie minérale du tissu osseux obtenue par le processus d’ostéogénèse naturelle. Des tests de viabilité in vitro réalisés avec des ostéoblastes humains primaires ont montré que la nanoporosité et le caractère hydrophile des TFC n’impactent pas la biocompatibilité et que les paramètres tels que le précurseur des fibres, l’ensimage et/ou la forme lobée des fibres semblent favoriser l’adhésion et la prolifération des cellules. / This work is focused on the synthesis of a novel hybrid biomaterial made of carbon fibers cloth (CFC)/ calcium phosphates (CaP) using the sono-electrochemical technique and the study of the influence of experimental parameters on the chemical composition, microtexture and structure of CaP deposits and on in vitro biocompatibility. Current density is shown to be a crucial parameter. Specifically, at high current densities ((≥ 100 mA/g), the fast water electrolysis rate leads to a needle-like deposit consisting in a major phase of carbonated calcium deficient hydroxyapatite (CaD-HAP) mixed with a calcium carbonate phase. At low current densities (≤ 50 mA/g), the slow water electrolysis rate generates a plate-like carbonated CaD-HAP phase, coming from the in situ hydrolysis of a former octacalcium phosphate phase. Whatever the experimental conditions, particles of the deposits consists in a carbonated CaD-HAP core showing an ordered structure, surrounded by a hydrated and disordered carbonated CaD-HAP surface layer which results of the formation of oversaturated domains during CaP precipitation. Sono-electrodeposition is shown to be a versatile process able to control the nature of CaP phases. Especially, at low current density a biomimetic CaP deposit is obtained, similar to the mineral part of bones produced during natural osteogenesis. In vitro biologic tests using primary human osteoblasts showed that the nano-porosity and hydrophilicity of the carbon fibers do not affect the biocompatibility and that fiber precursor, sizing and lobe shaped fibers seems to favor adhesion and proliferation of human cells.

No presente trabalho, foram processados compósitos de polietileno de alta densidade (PEAD) com hidroxiapatita deficiente de cálcio (HA), com o objetivo de obter materiais com melhores propriedades mecânicas e bioatividade. A adição da HA deficiente de cálcio proporcionou um aumento no módulo de elasticidade (maior rigidez), menor resistência ao impacto e decréscimo do grau de cristalinidade do PEAD, proporcionando uma maior bioatividade ao material. A análise térmica exploratória (sistema não isotérmico) foi realizada por meio da técnica de calorimetria exploratória diferencial (DSC) e foram avaliados os teores de fosfato de cálcio e a velocidade de rotação da rosca no processamento dos materiais. No estudo da cristalização não-isotérmica observou-se uma diminuição da temperatura de cristalização com o aumento da taxa de resfriamento para todos os materiais sintetizados. A energia de ativação (Ea) da cristalização dos materiais foi avaliada por meio dos métodos Kissinger e Ozawa. A amostra com 5% de HA deficiente de cálcio e velocidade de processamento de 200 rpm foi a que apresentou menor valor de energia de ativação, 262 kJ/mol, menor desvio da linearidade e a que mais se assemelhou à matriz de PEAD sem HA. O teor de hidroxiapatita deficiente de cálcio não favorece o processo de cristalização devido à alta energia de ativação determinada pelos métodos descritos. Provavelmente, a velocidade de rotação, favorece a dispersão da carga na matriz de PEAD, dificultando o processo de cristalização. Na aplicação do método de Osawa-Avrami, os coeficientes de correlação indicaram perda na correlação linear. Estas perdas podem estar associadas a uma pequena percentagem de cristalização secundária e/ou à escolha das temperaturas utilizadas para determinar a velocidade de cristalização. Na determinação dos parâmetros pelo método de Mo, as menores percentagens de cristalização apresentaram um grande desvio da linearidade, com coeficiente de correlação bem menor que 1 e com o aumento da percentagem de cristalização, o desvio da linearidade diminui, ficando próximo de 1. Os resultados obtidos mostraram que o modelo de Mo e de Osawa-Avrami não foram capazes de definir o comportamento cinético dos materiais produzidos neste trabalho. / In this work, composites of high density polyethylene HDPE with calciumdeficient hydroxyapatite were synthesized in order to obtain materials with good mechanical properties and bioactivity. The addition of calcium-deficient hydroxyapatite resulted in an increase in elastic modulus (high rigidity), lower impact resistance and lower HDPE crystallinity degree, promoting, in these materials, a higher bioactivity. Scanning thermal analysis (non-isothermal system) was carried out by differential scanning calorimetry (DSC), and it was evaluated the calcium phosphate content added and the screw speed in the processing. In non-isothermal crystallization studies it was observed a decrease in crystallization temperature as the cooling rate was increased for all produced materials. The activation energy of crystallization was evaluated by Kissinger and Ozawa methods. The sample with 5 wt.% of calcium-deficient hydroxyapatite and processed at 200 rpm screw speed showed the lower value of activation energy (262 kJ/mol) and the lower deviation from linearity. Calcium-deficient hydroxyapatite does not promote the crystallization process due to the high activation energy determined by the described methods. Probably the screw speed promotes the dispersion of the filler in the HDPE matrix and hinders the crystallization process. Correlation coefficients in Osawa-Avrami method indicated loss in the linear correlation. These losses might be associated with a small percentage of secundary crystallization and/or the temperatures chosen to determine the crystallization rate. The parameters obteined from Mo method, the lower percentages of crystallization showed a great deviation from linearity, with correlation coefficient much smaller than 1, when increasing the percentage of crystallization, the deviation from linearity decreases, getting closer to 1.The results of Mo and Osawa-Avrami models were not able to set the kinetic behavior of the materials produced in this study.

No presente trabalho, foram processados compósitos de polietileno de alta densidade (PEAD) com hidroxiapatita deficiente de cálcio (HA), com o objetivo de obter materiais com melhores propriedades mecânicas e bioatividade. A adição da HA deficiente de cálcio proporcionou um aumento no módulo de elasticidade (maior rigidez), menor resistência ao impacto e decréscimo do grau de cristalinidade do PEAD, proporcionando uma maior bioatividade ao material. A análise térmica exploratória (sistema não isotérmico) foi realizada por meio da técnica de calorimetria exploratória diferencial (DSC) e foram avaliados os teores de fosfato de cálcio e a velocidade de rotação da rosca no processamento dos materiais. No estudo da cristalização não-isotérmica observou-se uma diminuição da temperatura de cristalização com o aumento da taxa de resfriamento para todos os materiais sintetizados. A energia de ativação (Ea) da cristalização dos materiais foi avaliada por meio dos métodos Kissinger e Ozawa. A amostra com 5% de HA deficiente de cálcio e velocidade de processamento de 200 rpm foi a que apresentou menor valor de energia de ativação, 262 kJ/mol, menor desvio da linearidade e a que mais se assemelhou à matriz de PEAD sem HA. O teor de hidroxiapatita deficiente de cálcio não favorece o processo de cristalização devido à alta energia de ativação determinada pelos métodos descritos. Provavelmente, a velocidade de rotação, favorece a dispersão da carga na matriz de PEAD, dificultando o processo de cristalização. Na aplicação do método de Osawa-Avrami, os coeficientes de correlação indicaram perda na correlação linear. Estas perdas podem estar associadas a uma pequena percentagem de cristalização secundária e/ou à escolha das temperaturas utilizadas para determinar a velocidade de cristalização. Na determinação dos parâmetros pelo método de Mo, as menores percentagens de cristalização apresentaram um grande desvio da linearidade, com coeficiente de correlação bem menor que 1 e com o aumento da percentagem de cristalização, o desvio da linearidade diminui, ficando próximo de 1. Os resultados obtidos mostraram que o modelo de Mo e de Osawa-Avrami não foram capazes de definir o comportamento cinético dos materiais produzidos neste trabalho. / In this work, composites of high density polyethylene HDPE with calciumdeficient hydroxyapatite were synthesized in order to obtain materials with good mechanical properties and bioactivity. The addition of calcium-deficient hydroxyapatite resulted in an increase in elastic modulus (high rigidity), lower impact resistance and lower HDPE crystallinity degree, promoting, in these materials, a higher bioactivity. Scanning thermal analysis (non-isothermal system) was carried out by differential scanning calorimetry (DSC), and it was evaluated the calcium phosphate content added and the screw speed in the processing. In non-isothermal crystallization studies it was observed a decrease in crystallization temperature as the cooling rate was increased for all produced materials. The activation energy of crystallization was evaluated by Kissinger and Ozawa methods. The sample with 5 wt.% of calcium-deficient hydroxyapatite and processed at 200 rpm screw speed showed the lower value of activation energy (262 kJ/mol) and the lower deviation from linearity. Calcium-deficient hydroxyapatite does not promote the crystallization process due to the high activation energy determined by the described methods. Probably the screw speed promotes the dispersion of the filler in the HDPE matrix and hinders the crystallization process. Correlation coefficients in Osawa-Avrami method indicated loss in the linear correlation. These losses might be associated with a small percentage of secundary crystallization and/or the temperatures chosen to determine the crystallization rate. The parameters obteined from Mo method, the lower percentages of crystallization showed a great deviation from linearity, with correlation coefficient much smaller than 1, when increasing the percentage of crystallization, the deviation from linearity decreases, getting closer to 1.The results of Mo and Osawa-Avrami models were not able to set the kinetic behavior of the materials produced in this study.