Tese de Doutoramento. Engenharia Biomédica. Área de Especialização de Biomateriais. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Actualmente existe un gran número de lesiones y enfermedades que afectan el tejido óseo. El origen de estos problemas es diverso y su tratamiento también es diferente en cada caso. Uno de los principales problemas es la pérdida de masa ósea, que puede ser causada por la reabsorción de hueso, fracturas o extirpación de tumores; en estos casos el tratamiento requiere de un material de relleno óseo. Se espera que este material de relleno sea capaz de promover la regeneración de hueso; los materiales que cumplen con este requisito se les denomina injertos óseos. Otras aplicaciones de los injertos óseos son el aumento de hueso para corregir deformaciones o para fijar implantes dentales u ortopédicos. Se estima que en Europa los sustitutos óseos se utilizan en un millón de cirugías anualmente. El mercado mundial de estos materiales se estima en cinco billones de Euros con una tasa de crecimiento anual de 8-15 %.La hidroxiapatita, que corresponde a la fase mineral de hueso y dientes, es uno de los mejores materiales utilizados en el desarrollo de injertos óseos sintéticos. Las bioactividad y osteoconductividad de la hidroxiapatita son la razón de su éxito. Sin embargo, la hidroxiapatita es relativamente estable, por ello, los bloques sólidos no son reabsorbidos a largo plazo. Para incrementar la reabsorción de la hidroxiapatita, y permitir la formación de nuevo hueso hacia su interior, se incorporan macroporos abiertos en el material, mejorando también la osteointegración del implante. Un método para conseguir lo anterior es el espumado de los cementos de fosfatos de calcio; este enfoque tiene la ventaja de que la hidroxiapatita obtenida después del fraguado del cemento es más similar a la hidroxiapatita biológica que las hidroxiapatitas sinterizadas. Además, debido a que los cementos son inyectables cuando son una pasta, es posible obtener injertos óseos inyectables, macroporosos y autoconsolidables. El objetivo de la presente tesis es desarrollar espumas sólidas de hidroxiapatita a través del método de espumado de la fase líquida de un cemento de fosfato de calcio. Se espera que las espumas obtenidas puedan ser utilizadas como injertos óseos inyectables y autoconsolidables bajo condiciones fisiológicas. A lo largo de la tesis se estudian dos tipos de agentes espumantes. En primer lugar, el surfactante no iónico Tween 80 se estudia como agente espumante sintético, en segundo lugar, la gelatina, el alginato de sodio y el extracto de soja se estudian como agentes espumantes naturales. Estos polímeros se proponen como agentes espumantes con la intención de obtener espumas compuestas que imiten la composición y la estructura del nanocompuesto natural que es el tejido óseo.Los resultados mostraron que es posible obtener espumas inyectables de hidroxiapatita empleando contenidos de Tween 80 por debajo de la dosis máxima recomendada en administración parenteral. También se comprobó que la gelatina y el extracto de soja permiten obtener espumas inyectables y autofraguables in situ. Por el contrario, el alginato de sodio no mostró ser un buen agente espumante. Al comparar los dos tipos de agentes espumantes estudiados (sintético y natural) se puede concluir que el espumante sintético Tween 80 es más eficiente que los espumantes naturales; no obstante, la gelatina y el extracto de soja mejoran la Inyectabilidad y/o la cohesión de las espumas, ambas propiedades indispensables para utilizar estos materiales como injertos óseos inyectables y autoconsolidables.Los estudios in vitro e in vivo mostraron que las espumas obtenidas de hidroxiapatita no son toxicas, que pueden ser preparadas bajo condiciones estériles dentro del quirófano sin equipos especiales, y que las espumas seleccionadas tienen cohesión para endurecer in situ bajo condiciones fisiológicas, adaptando la forma y rellenando perfectamente el defecto cuando son implantadas por inyección. / Nowadays, there are great number of injuries and illnesses that affect bone tissue. The origin of these diseases is diverse and their treatment is also different in each case. A great problem is bone loss, which can be caused by bone resorption, fractures or bone tumor extirpation; in these cases, a bone filler material will be required. It is expected that the filling material should be able to promote bone healing; materials that meet this properties are known as bone grafts. Other applications of bone grafting materials are the bone mass augmentation to correct deformations or to fix dental and orthopedic implants. It is estimated that in Europe bone substitutes are used in one million surgical procedures annually. The worldwide market of these materials is an estimated of five billion Euros with annual growth rate of 8-15%.One of the most successful materials used in the development of synthetic bone grafting materials is hydroxyapatite, which correspond to the mineral phase of bone and teeth. The bioactivity and the osteoconductivity properties of hydroxyapatite are the reasons of its success. Nevertheless, hydroxyapatite is relatively stable; therefore, solid blocks are not resorbed in the long term. In order to increase the hydroxyapatite resorption, and allow new bone ingrowth, open macropores are incorporated to the material, improving also implant osteointegration. One method to do this is by foaming calcium phosphate cements; this approach has the advantage that the resulting hydroxyapatite after cement setting is more similar to the biological apatite than sintered hydroxyapatite. In addition, since bone cements are injectable when they are a paste, it is possible to develop an injectable, macroporous, and self-setting bone graft.The objective of this thesis was to develop solid hydroxyapatite foams through the liquid phase foaming of a calcium phosphate bone cement. It is expected that the developed foams can be applied as injectable, self-setting, synthetic bone grafts under physiological conditions. Along with this thesis, two types of foaming agent were studied. In first place, non ionic surfactant Tween 80 was tested as syntactic foaming agent; and second, gelatin, sodium alginate and soy extract were tested as natural foaming agents. These biopolymers are proposed as foaming agents with the objective of obtaining composite foams that mimic the composition and structure of the natural nanocomposite that is bone tissue.The results showed that is possible to obtain injectable hydroxyapatite foams using Tween 80 amounts below the maximum dosage recommended for parenteral administration. Also, it was validated that gelatin and soy extract allow obtaining injectable, in situ self-setting foams. In contrast, sodium alginate did not show a good foaming capacity. Comparing the two types of studied foaming agents (synthetic and natural) it can be concluded that the synthetic foaming agent Tween 80 is more efficient than the natural foaming agents; however, gelatin and soy extract improved the injectability and/or the cohesion of the foams, both essential properties to use these materials as injectable and self-setting grafts.The in vitro and in vivo studies showed that the hydroxyapatite foams obtained were not toxic, they could be prepared under sterile conditions in the operating room without special staff, and the selected foams maintained their cohesion to set in situ under physiological conditions, adapting and filling perfectly the shape of the defect when implanted through injection.

[EN] This thesis has focused mainly on the synthesis and characterization of biostable macroporous polymers from the family of polyacrylates, for application in regenerative medicine. Scaffolds and membranes developed in this work can have different applications in regenerative medicine that require the transplantation of cells to the organism. In particular, ring of cornea prosthesis, anchorage of bone prosthesis, articular cartilage, and dressing for stem cell transplantation on skin regeneration or treatment of corneal and mouth ulcers. For this purpose, initially poly (ethyl acrylate) (PEA) copolymers films, with different and controlled physicochemical properties were prepared through via radical polymerization. In order to know some of the physical and thermal properties that might affect the proteins adsorption, determining differences between surface properties (topography, chemistry and surface energy) and subsequent cell adhesion, a characterization of the obtained films was performed, by finding the degree of wettability, swelling and the presence of phase separation in the material, by measuring the contact angle (WCA), water absorption and differential scanning calorimetry (DSC), respectively. Subsequently, thin porous membranes with suitable structural and mechanical properties that allow cell colonization and proliferation inside the network and biostables in the human body were developed. To obtain the membranes with well interconnected pores that reach the requirements to be used in prosthetic implants and transplants of cells, a method combining the template technique and the anisotropic pores collapse was designed. Processing method, microstructure and mechanical properties of the synthesized membranes was analyzed, through scanning electron microscopy (SEM), scanning confocal laser microscopy, stress strain experiments in tension and tearing strength measurements, yielding a thin and strong three dimensional porous membrane. Two biological characterizations were performed by seeding bone marrow mesenchymal stem cells on poly (ethyl acrylate) copolymers with different hydrophilicity degrees and different crosslinking densities. Seeding efficiency, cell viability and proliferation was analyzed. Morphology and cell adhesion type at short times culture was observed by fluorescence microscopy, and cell proliferation capacity a long times culture by Confocal fluorescence microscopy. A good initial cell adhesion in the porous thin membranes compare to their respective membranes was observed. For larger time culture the cells were able to adhere and expand over all porous membranes, and in addition they exhibited high proliferation in surface after 21 days of culture. Moreover, corneal prosthesis prototype following a core skirt type model was developed. Starting from an anchorage ring with flexible and porous structure of poly (ethyl acrylate), in which center a rigid and transparent lens of poly (methyl methacrylate) (PMMA) was polymerized, generating the integration of both components on a single piece. Finally, in collaboration with other research groups, the adhered fibronectin (FN) by adsorption or grafting and its biological response on films of poly (ethyl acrylate) copolymers was evaluated. Furthermore, the influence of the properties of polymeric materials in fibronectin adhesion and its conformation by exposure of some cell adhesive motifs that interact with integrins was analyzed. / [ES] Esta tesis se ha centrado principalmente en la síntesis y caracterización de polímeros bioestables macroporosos de la familia de los poliacrilatos, para su aplicación en medicina regenerativa. Los soportes desarrollados en este trabajo pueden tener distintas aplicaciones en terapias que requieren el trasplante al organismo de células. Concretamente en el anillo de la prótesis de córnea, anclaje de prótesis de hueso, cartílago articular y en forma de apósito para el trasplante de células madre para regeneración de piel o el tratamiento de úlceras corneales o bucales. Con este propósito, inicialmente se han preparado diferentes series de copolímeros de poliacrilato de etilo (PEA) en forma de láminas no porosas a través de polimerización por vía radical, con propiedades físico químicas diferentes y controladas. A fin de conocer algunas de las propiedades físicas y térmicas que puedan afectar a la adsorción de las proteínas, determinando diferencias entre las distintas propiedades superficiales (topografía, química y energía superficial) y la consecuente adhesión celular, se realizó una caracterización de las distintas láminas obtenidas, determinando el grado de humectabilidad, de hinchamiento y la presencia de separación de fases en el material, a través de la medida de ángulo de contacto (WCA), absorción de agua y Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC), respectivamente. Posteriormente se han desarrollado membranas finas porosas con propiedades estructurales y mecánicas adecuadas que permitan la colonización y proliferación celular en el interior de la red y su bioestabilidad en el cuerpo humano. Para obtener la membrana de poros bien interconectados que cumpla con los requisitos necesarios para su utilización en implantes protésicos y trasplante de células, se diseñó una variante del método que combina la técnica de las plantillas para producir los macroporos y el colapso de poros anisotrópico para obtener las membranas delgadas. Se analizó el procesamiento, microestructura y propiedades mecánicas de las distintas membranas sintetizadas, a través de la microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopia Confocal laser de Barrido, ensayos de tensión deformación y resistencia al desgarro, teniendo como resultado una malla tridimensional porosa, fina y resistente. Se realizaron dos caracterizaciones biológicas sembrando in vitro células mesenquimales de médula ósea sobre los materiales de copolímeros de poliacrilato de etilo con distinto grado de hidrofilicidad y con diferentes densidades de entrecruzamiento, analizando la eficiencia de la siembra, viabilidad y proliferación celular. Mediante microscopía de fluorescencia se observó la morfología y el tipo de adhesión celular a tiempos cortos de cultivo que presentan los distintos copolímeros, y a través de microscopía Confocal de fluorescencia la capacidad de proliferación celular a tiempos largos de cultivo, observándose inicialmente una buena adhesión celular en las láminas porosas frente a sus respectivas membranas. Para tiempos de cultivo mayores las células fueron capaces de adherirse y expandirse en todas las membranas, además de mostrar una alta proliferación en superficie tras 21 días de cultivo. Por otra parte, se desarrolló un prototipo de prótesis de córnea siguiendo un modelo tipo core skirt, partiendo de un anillo de anclaje de poliacrilato de etilo con estructura porosa y flexible, en cuyo centró se polimeriza la lente de poli metacrilato de metilo (PMMA) rígida y trasparente, generando como resultado la integración de ambos componentes en una única pieza. Finalmente y en colaboración con otros grupos de investigación, por un lado se ha evaluado la adsorción o el injerto de la fibronectina (FN) y la respuesta biológica posterior sobre láminas no porosa de copolímeros de poliacrilato de etilo. / [CA] Aquesta tesi s'ha centrat principalment en la síntesi i caracterització de polímers bioestables macroporosos de la família dels poliacrilats, per a la seua aplicació en medicina regenerativa. Els suports desenvolupats en aquest treball poden tenir diferents aplicacions en teràpies que requereixen el trasplantament a l'organisme de cèl·lules. Concretament en l'anell de la pròtesi de còrnia, ancoratge de pròtesi d'os, cartílag articular i en forma d'apòsit per al trasplantament de cèl·lules mare per a regeneració de pell o el tractament d'úlceres cornials o bucals. Amb aquest propòsit, inicialment s'han preparat diferents sèries de copolímers de poliacrilat d'etil (PEA) en forma de làmines no poroses a través de polimerització per vía radical, amb propietats fisico químiques diferents i controlades. A fi de conèixer algunes de les propietats físiques i tèrmiques que pugen afectar a l'adsorció de les proteïnes, determinant diferències entre les diferents propietats superficials (topografia, química i energia superficial) i la conseqüent adhesió cel·lular, es va realitzar una caracterització de les diferents làmines obtingudes, determinant el grau de humectabilitat, d'inflament i la presència de separació de fases en el material, a través de la mesura d'angle de contacte (WCA), absorció d'aigua i Calorimetria Diferencial d'Escombratge (DSC), respectivament. Posteriorment s'han desenvolupat membranes fines poroses amb propietats estructurals i mecàniques adequades que permeten la colonització i proliferació cel·lular a l'interior de la xarxa i la seua bioestabilitat en el cos humà. Per a obtenir la membrana de porus ben interconnectats que complisca amb els requisits necessaris per a la seua utilització en implants protèsics i trasplantament de cèl·lules, es va dissenyar una variant del mètode que combina la tècnica de les plantilles per a produir els macroporus i el col·lapse de porus anisotròpics per a obtenir les membranes primes. Es va analitzar el processament, microestructura i propietats mecàniques de les diferents membranes sintetitzades, a través de la microscòpia electrònica d'escombratge (SEM), microscòpia Confocal làser d'Escombratge, assajos de tensió deformació i resistència a l'esquinçament, tenint com resultat una malla tridimensional porosa, fina i resistent. Es van realitzar dues caracteritzacions biològiques sembrant in vitro cèl·lules mesenquimals de medul·la òssia sobre els materials de copolímers de poliacrilat d'etil amb diferent grau de hidrofilicitat i amb diferents densitats d'entrecreuament, analitzant l'eficiència de la sembra, viabilitat i proliferació cel·lular. Mitjançant microscòpia de fluorescència es va observar la morfologia i el tipus d'adhesió cel·lular a temps curts de cultiu que presenten els diferents copolímers, i mitjançant microscòpia Confocal de fluorescència la capacitat de proliferació cel·lular a temps llargs de cultiu, observant se inicialment una bona adhesió cel·lular en les làmines poroses enfront de les seues respectives membranes. Per a temps de cultiu majors les cèl·lules van ser capaces d'adherir se i expandir se en totes les membranes, a més de mostrar una alta proliferació en superfície després de 21 dies de cultiu. D'altra banda, es va desenvolupar un prototip de pròtesi de còrnia seguint un model tipus core skirt, partint d'un anell d'ancoratge de poliacrilat d'etil amb estructura porosa i flexible, en el centre de la qual es polimeritza la lent de polimetacrilat de metil (PMMA) rígida i transparent, generant com resultat la integració de tots dos components en una única peça. Finalment i en col·laboració amb altres grups de recerca, d'una banda s'ha avaluat l'adsorció o l'empelt de la fibronectina (FN) i la resposta biològica posterior sobre làmines no porosa de copolímers de poliacrilat d'etil. / Antolinos Turpín, CM. (2015). Mallas macroporosas bioestables con aplicación en implantes protésicos y trasplante de células [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/48802