Nos defeitos bucomaxilofaciais, a intervenção cirúrgica utilizando enxertos ou substi-tutos ósseos é indicada para reestabelecer a forma e a função perdidas. Nesse con-texto, enxertos auto?genos e alo?genos te?m sido substituídos por biomateriais osteo-condutores e reabsorvíveis. O objetivo deste trabalho foi avaliar por meio de micro-tomografia e dos aspectos histológicos do reparo ósseo, se um novo cimento bifási-co composto por sulfato de cálcio e beta fosfato tricálcico com controle de potencial zeta, poderia induzir ou conduzir a neoformação óssea em defeitos críticos, produzi-dos em calvárias de ratos. Foi realizado um defeito crítico de 8mm de diâmetro na calvária de 40 ratos Wistar machos. No grupo teste (n=20) os defeitos foram preen-chidos pelo cimento. No grupo controle (n=20) os defeitos não foram preenchidos e permaneceram apenas com o coágulo. Os animais sofreram eutanásia em 7, 14, 21 e 42 dias do pós operatório. Espécimes da região da ferida foram microtomografa-dos e posteriormente as amostras foram preparadas para análise histológica. A aná-lise histomorfológica incluiu a avaliação morfológica da histopatologia do reparo, a avaliação morfométrica da área de formação das trabéculas ósseas comparativa-mente entre os grupos. Realizamos ainda a coloração com fosfatase tartrato-resistente (TRAP) para identificação de osteoclastos. Os resultados mostraram que os defeitos preenchidos pelo cimento não apresentaram diminuição significativa da área de acordo com a progressão dos períodos pós-operatórios, pelo contrário, em alguns animais, o defeito aparentemente aumentou. A histomorfologia do reparo mostrou agrupamentos mais expressivos de células gigantes no grupo teste suge-rindo resposta a corpo estranho e osso neoformado mais maduro no grupo controle No grupo teste houve permanência do material e resposta corpo estranho até os úl-timos períodos de observação. Na histomorfometria, a área total de neoformação óssea na região da ferida foi significativamente maior e crescente com o passar do tempo experimental no grupo controle do que no grupo teste. As células gigantes apresentaram expressão histoquímica positiva para TRAP e não foram identificados osteoclastos. Concluímos que neste modelo de estudo, o cimento cerâmico não in-duziu ou conduziu a neoformação óssea de defeitos ósseos críticos criados em cal-vária de ratos sob o ponto de vista microtomográfico e histológico. / Surgical intervention employing grafts and bone substitutes is the best choice in oral and maxillofacial bone defects reconstruction for structural and functional lost. Re-garding this, autogenous and alogenous grafts have been used as osteocondutive and resorbable biomaterials. The aim of this study was to evaluate if a new bone bi-phasic composite of calcium sulfate and beta tricalcium phosphate with zeta potential control could induce or conduct bone formation in rats\' calvarias critical defects mod-el. Forty male Wistar rats underwent 8mm diameter calvaria perforation under gen-eral anesthesia. Animals were randomly allocated to group test (n=20), when the de-fects were filled with the biphasic phosphate and group control (n=20) when the wound was left just with blood clot. Animals underwent euthanasia 7, 14, 21 and 42 days after surgery. Bone calvaria specimens underwent microtomography and histo-logical processing for analysis. Histomorphological and histomorphometry were per-formed regarding aspects of bone healing evolution and new bone total area within the defect. Additionally, histological samples were tartrate-resistant phosphatase (TRAP) stained for osteoclasts identification. The results showed that defects filled by the composite did not present significant bone formation considering postoperative evolution, on the contrary it seemed that the defect area increased in some animals. The bone repair histomorphology in test-group showed expressive giant cells nests involving the ceramic material suggesting foreign body reaction. A mature bone tis-sue neoformation was significantly more intense in the control-group. In the test-group the permanence of the exogenous material caused the sustained foreign body reaction until the last observational periods. Histomorphometric analysis showed that in control-group the total area of bone formation was significantly greater and pro-gressive along the experiment than the test-group. Osteoclasts were not identified but the giant cells presented positive reaction to TRAP. It was possible to conclude that the biphasic ceramic with zeta potential control was not capable to induce or conduct bone neoformation in critical defects created in rats\' calvaria.

En raison de l’augmentation de l'espérance de vie, le nombre de personnes âgées et par conséquent le taux de maladies chroniques augmente de plus en plus nécessitant le développement de nouveaux biomatériaux permettant la réparation osseuse. Le but de cette étude était d'évaluer le comportement in vitro de cellules ostéoprogénitrices cultivées sur des pastilles de phosphate tricalcique dopées (β-TCMP, Mg/Ca = 0,15) ou non (β-TCP) avec du magnésium dans un environnement statique et dynamique (débit de 0,3 mL/min), ainsi que la réponse de macrophages humains après contact avec des extraits des matériaux (ISO10993-12). Les pastilles de β-TCMP et β-TCP ont été obtenues par frittage respectivement d’une apatite calcium déficiente en calcium dopée au magnésium et de TCP (Merck). Les diffractogrammes et les spectres infrarouge ont confirmé la production de β-TCP et de β-TCMP, ratio Mg/Ca = 0,14. Des cellules osteoprogénitrices STRO+1A ont été cultivées sur des pastilles pendant 21 jours et leur comportement de prolifération et de différenciation cellulaire ont été vérifiés. Aucune différence entre les deux pastilles n’a été observée concernant le nombre de cellules après 21 jours de culture, ni sous condition statique ni dynamique. Cependant, il semble que l'environnement dynamique accélère la différenciation ostéoblastique. D'une façon générale, le β-TCMP n'a pas modifié la réponse des macrophages (le profil des cytokines) activés ou non par du lipopolysaccharide bactérien, cultivés pendant 72 heures avec des extraits de biomatériaux, par rapport au β-TCP. D’après ces résultats, les deux biomatériaux semblent être prometteurs pour le traitement des pertes osseuses. / Research on bone tissue regeneration is constantly expanding due to the improvement of life expectancy with a consequent increase in the rate of chronic diseases. The aim of this work was to evaluate the in vitro behavior of STRO+1A osteoprogenitor cells cultured onto dense tablets of tricalcium phosphate doped (β-TCMP, Mg/Ca = 0.15) or not (β-TCP) with magnesium under static and dynamic (flow rate of 0.3 mL/min), as well as the response of human macrophages after contact with the granules extracts of the materials (ISO10993-12: 2007). The β-TCMP and β-TCP tablets were obtained by sintering a calcium-deficient apatite doped with magnesium and commercial TCP (Merck), respectively. The diffractograms and infrared spectra confirmed the presence of β-TCP and β-TCMP with a Mg/Ca ratio of 0.14 (plasma spectrometry). A cell density of 5x103 was inoculated onto the tablets and then STRO+1A were cultured at 37°C/5% CO2 for up to 21 days, in which the proliferation and differentiation rate were assessed. There was no difference in cell density between the materials after 21 days of culture, neither under static nor dynamic conditions; however, it seems that the dynamic environment accelerated osteoblast differentiation. In a general way, β-TCMP did not change the response of macrophages (cytokine profile), activated or not, by bacterial lipopolysaccharide, cultured for up to 72 hours with the extracts of biomaterials, when compared to β-TCP. Based on these results, both materials appear to be adequate for bone loss therapy.

The use of various biodegradable polymers for the improvement of different controlled and long-lasting drug release systems is an active research area in recent years. The application of different metal prostheses, especially titanium based ones, to the human body is also very common. A most important disadvantage of these prostheses is the risk of infection at the application areas that necessitates the removing of the prosthesis with a second surgical operation and reapplication of it after recovery. One of the best ways to solve this problem is to render metal prostheses infection free with controlled and sustainable drug (antibiotic) release systems. The long term sustained release of relevant antibiotics from the various biodegradable polymer coated metal implants is studied in this thesis. Virtual fatigue analysis and drug loading capacities of titanium and stainless steel samples with different surface pattern and modifications were studied. Various biodegradable polymer and drug combinations were examined and used for coating of metal prosthesis. The aim is to design polymer-drug coated metal implants that are capable of releasing a feasible amount of drug up to a period of at least 1 month. Various coating techniques and surface modifications were also employed to improve the adhesional properties of the drug containing polymers. Their adhesion abilities on the metal substrates were tested by Lap-shear and T-peel tests. Polymer degradation kinetics was followed by viscosity studies. Calibration lines for different drugs were obtained and drug releases on different systems were followed by using UV spectroscopy and microbial antibiotic sensitivity tests. Among the techniques applied to prevent fast release of drugs initially, the coatings of Vancomycin absorbed &amp / #946 / -TCP (&amp / #946 / -tricalcium phosphate) homogeneously distributed in poly(D,L-lactide-co-glycolide) solution in chloroform followed by an inert coating with poly(L-lactide) system proved to be feasible. By this technique, initial burst release was minimized and drug release from implants lasted nearly 2 months. Multiple coatings on polymer plus drug coating layer also gave promising results. In vivo studies on dorsal muscles of native rabbits with antibiotic loaded implants gave no negative effect on the surrounding tissues with high compatibility free of infection.

Os cimentos de fosfato de cálcio apresentam uma série de vantagens de utilização em ortopedia e traumatologia, sendo as mais destacadas a sua biocompatibilidade e bioatividade, as quais permitem a osteocondução dos tecidos ósseos e o endurecimento “in situ”, permitindo maior facilidade de manipulação. Entretanto; através dos métodos convencionais de reação no estado sólido há uma grande dificuldade em se obter a fase α- fosfato tricálcico pura. Com o desenvolvimento deste trabalho foi possível sintetizar a fase α-fosfato tricálcico nanoestruturado com elevado grau de pureza, utilizando-se o método de síntese de combustão em solução. Após os estudos da influência do pH, da natureza do combustível (uréia ou glicina) e dos teores estequiométricos de combustível (0,75; 1,0; 1,5 e 2,0) foi possível definir os melhores parâmetros de síntese (pH 1,5 e combustível uréia em teor duas vezes maior do que o estequiométrico). Com a definição dos parâmetros ótimos de reação, estudou-se a viabilidade de sua utilização como cimento de fosfato de cálcio. Nesta etapa verificou-se a influência do tamanho de partícula através do tempo de moagem. Para tempo de moagem de 180 minutos foram obtidos valores de resistência mecânica à compressão de até 30,4 MPa. Porém após a imersão em solução de plasma sanguineo simulado (SBF) em tempos crescentes de até 28 dias, ocorreu a diminuição desta propriedade o que é indicativo da alta solubilidade dos pós de α-fosfato tricálcico obtidos via síntese de combustão em solução. O ensaio de citotoxicidade In Vitro demonstrou que o CFC sintetizado neste trabalho não apresentou efeito tóxico para as células. Na sequência do trabalho, investigou-se a viabilidade da aplicação do CFC como substituto ósseo e como carga cerâmica em criogéis poliméricos para utilização em engenharia de tecidos. Inicialmente utilizou-se o sistema dimetilaminoetil metacrilato (DMAEMA) com a adição de 5% de um ácido acrílico (ácido acrílico ou ácido metacrílico), porém tal sistema se mostrou muito instável e apresentou baixa reprodutibilidade. Dessa forma, substituiu-se o ácido acrílico pelo monômero hidroxietil metacrilato (HEMA), pelo fato de o último possuir maior estabilidade química e melhores propriedades mecânicas. Com o uso deste sistema foram obtidos arcabouços porosos através do método de criopolimerização com porosidade de até 75% e poros de até 1 milímetro de diâmetro. A adição de α-fosfato tricálcico às estruturas porosas pouco influenciou nas propriedades físicas da rede polimérica e nas propriedades mecânicas dos arcabouços porosos, porém aumentou significativamente a biocompatibilidade destes, permitindo a adesão e a proliferação de células tronco mesenquimais. A presença de colágeno do tipo I e de fosfatase alcalina são bons indicativos de que as células tronco mesenquimais estão se diferenciando em tecido ósseo e demonstram o potencial destes materiais para o seu uso como biomaterial e mais especificamente como substitutos ósseos. / The calcium phosphate cements have a large number of advantages regarding its use in orthopedics and traumatology, being the most prominent its biocompatibility and bioactivity, which allows the osteoconductive of bone tissue and in situ hardening, allowing greater ease of handling. However, the use of conventionals synthesis methods, e.g. solid state reactions, brings great difficulty to the obtainment of highly pure α- tricalcium phosphate phase. In this thesis, the use of the solution combustion synthesis method allowed to synthesize nanostructured α-tricalcium phosphate with high purity. Further studies on pHs influence, fuel natures (urea or glycine) and fuel ratio (0.75, 1.0, 1.5 and 2.0) allowed to define the best synthesis parameters (pH 1.5 and urea fuel content in two times higher than the stoichiometric). After choosing the best paramaters to the obtainment of higly pure α-tricalcium phosphate, we studied the feasibility of their use as calcium phosphate cement (CFC) by studing the influence of particle size by increasing the milling time from 30 to 180 minutes. The better results were found for the milling time of 180 minutes. Compressives strength of up to 30.4 Mpa were obtained for this formulation. However, after soaking the calcium phosphate cements in simulated blood plasma (SBF) in growing times up to 28 days, a decrease in the compressive strenght was noticed, which is an indicative of the high solubility of the α-tricalcium phosphate powders obtained by solution combustion synthesis. After the obtainment of the calcium phosphate cements, its application as bone substitute and as ceramic load in polymeric cryogels for use in tissue engineering were studied. Initially, the system dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA) with 5% of an acrylic acid (acrylic acid or methacrylic acid) was used, but due its great instability and lack of reproductbility this system was abandoned. Since it has greater chemical stability and good mechanical properties, the monomer hydroxyethyl methacrylate (HEMA) was chosen as pair to the DMAEMA monomer. With the use of this polymeric system, porous scaffolds with porosity of up to 75% and pores up to 1 mm in diameter were obtained by the method of cryopolymerization. The addition of α-tricalcium phosphate to the porous scaffolds did not showed a significant influence on physical properties of the polymer network nether on mechanical properties of porous structures. However, it increased significantly the biocompatibility of the scaffolds, allowing the adhesion and proliferation of mesenchymal stem cells. The presence of type I collagen and alkaline phosphatase are good indicators that mesenchymal stem cells are differentiating into bone tissue and demonstrate the potential application of these materials as biomaterials, more specifically as bone substitutes.

The calcium phosphates have been extensively studied for biomedical applications due to their chemical and structural similarities with our mineral phase of teeth and bones. In this work, biphasic calcium phosphate ceramics - BCP (mixture of hydroxyapatite and β-tricalcium phosphate, Hap/β-TCP) pure and doped with magnesium were obtained by solid state reaction. Magnesium (Mg) is known as an important element in the composition of bones and teeth. Recent research has shown that the addition of Mg in BCP structure improves consists mainly in bone metabolism and mechanical properties, without affecting its biocompatibility. The samples were prepared by solid-state reaction, using calcium carbonate, monobasic ammonium phosphate and magnesium nitratehexahydrate, as precursorssource of calcium, phosphate and magnesium, respectively. For pure BCP samples,it was investigated the influence of heat treatment on the formation of the material and for samples doped with magnesium,it investigated the different doping levels in the BCP structure. Several characterization techniques were used. The composition of the crystalline phase and morphology of the prepared materials were characterized by X-ray Diffraction and Electron Scanning Microscopy, respectively. The functional groups were analyzed using Fourier Transform Infrared Spectroscopy and Raman Spectroscopy. Cytotoxicity tests were carried out and the results suggested that the materials prepared in this work have for biological application as biomaterials. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Os Fosfatos de cálcio têm sido amplamente estudados para aplicações biomédicas devido à sua similaridade química e estrutural com a fase mineral dos nossos ossos e dentes. Neste trabalho, cerâmicas bifásicas de fosfato de cálcio - BCP (mistura de hidroxiapatita e β-fosfato tricálcico, Hap/β-TCP) purase dopadascom magnésio foram obtidas através da síntese de reação de estado sólido. O magnésio (Mg) é conhecido como um importante elemento na composição dos ossos e dentes. Recentes pesquisas tem mostrado que a adição de Mg na estrutura BCP melhora o composto, principalmente, no metabolismo ósseo e nas propriedades mecânicas, sem afetar a sua biocompatibilidade. As amostras foram preparadas através da síntese reação de estado sólido, usando carbonato de cálcio, fosfato de amônio monobásico e nitrato de magnésio hexahidratado, como fonte precursora de cálcio, fosfato e magnésio, respectivamente. Para as amostras de BCP puras, foi investigada a influência do tratamento térmico na formação do material e para as amostras dopadas com magnésio, investigamos os diferentes teores de dopantes na estrutura do BCP. Diferentes técnicas de caracterizações foram utilizadas. A composição da fase cristalina e a morfologia dos materiais preparados foram caracterizadas por Difração de Raios-X e Microscopia Eletrônica de Varredura, respectivamente. Os grupos funcionais foram analisados usando Espectroscopia de infravermelho por Transformada de Fourier e Espectroscopia Raman. Testes de Citotoxicidade foram realizados e os resultados sugerem que os materiais preparados neste trabalho, apresentam potenciais como biomaterial em aplicações biológicas.

Made available in DSpace on 2016-12-08T16:24:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PGCA14MA130.pdf: 1998964 bytes, checksum: 145e149b4c0a26553d621c120349c867 (MD5) Previous issue date: 2014-02-21 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / New techniques for bone replacement have continuously been searched, to find new alternatives for treatment of fractures, bone tumors or any orthopedic disease requiring transplants or bone grafts. With that proposal, we performed surgical procedures in both sheep s tibia to evaluate the osteoregenerative capacity of biomaterials of different compositions. Eight female, mongrel sheeps, 12 months old, weighting on average 30kg were obtained for the animal study. Three bone defects, in both tibias of each animal, a total of six bone defects each, were produced, being four of them treated with four different types of biomaterials and two with autogenous bone grafts, as a control group. The biomaterials implanted were: hydroxyapatite (HA), beta-tricalcium phosphate (TCP-β), hydroxyapatite/beta-tricalcium phosphate 60:40 (HA/TCP-β 60:40) and the nanocomposite hydroxyapatite and alumina (HA/Al2O3 5%). The animals were allocated in two groups: Group 60 (n=04), in which the animals were euthanized sixty days after the implantation of the biomaterials and Group 90 (n=04), in which the animals were euthanized ninety days after the procedure. Were performed radiograph images on the preoperative period, on the immediate postoperative and at 30, 60 and 90 days of postoperative period, to excluded any previously disease or postoperative complications that could compromise this research. After euthanasia, the tibias were collected for macro and microscopic evaluation, which was accessed by scanning electron microscopy (SEM) and optic microscopy. The results suggest that HA, TCP-β and HA/TCP-β present a great osteoregenerative capacity. The last one seems to be the best for a long-term outcome, due its best control in the solubilization and releasing of calcium and phosphates ions through the biological environment during the bone formation. The nanocomposite HA/Al2O3 5% didn t show a good response on this study, and we suggest new researchs to better evaluate the potential and applicability of this new biomaterial / Novas técnicas para substituição de tecido ósseo têm sido continuamente pesquisadas, buscando novas alternativas para o tratamento de fraturas, tumores ósseos ou qualquer enfermidade ortopédica que indique o uso de transplantes ou enxertos ósseos. Com este intuito, foram realizados experimentos cirúrgicos em tíbias de ovinos, objetivando avaliar a capacidade osteoregenerativa de biomateriais em diferentes composições. Foram utilizadas oito ovelhas mestiças texel, com 12 meses de idade e peso médio de 30 kg. Foram produzidos três defeitos ósseos em ambas as tíbias dos animais, totalizando seis defeitos, sendo que quatro foram preenchidos por biomateriais, e dois por fragmentos ósseos retirados do próprio animal, funcionando como controle. Os materiais implantados foram: hidroxiapatita (HA), tricálcio fosfato-β (TCP-β), hidroxiapatita/tricálcio fosfato-β (HA/TCP-β 60/40) e o nanocompósito hidroxiapatita/alumina a 5% (HA/Al2O3 a 5%). Os animais foram alocados em dois grupos: Grupo 60 (n=04), em que os animais foram eutanasiados após 60 dias da colocação dos implantes e Grupo 90 (n=04), em que a eutanásia ocorreu 90 dias após a colocação dos implantes. Foram realizadas radiografias nos períodos pré-operatório, imediatamente após o procedimento e aos 30, 60 e 90 dias de pós-operatório, a fim de excluir qualquer alteração prévia ou complicação pós-operatória, capaz de comprometer a pesquisa. Após a eutanásia, foram coletadas as tíbias para avaliação macro e microscópica, por meio de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia óptica. Os resultados encontrados sugerem uma boa capacidade de neoformação óssea com a HA, o TCP-β e o composto bifásico HA/TCP-β 60/40. Este último apresenta o melhor resultado a longo prazo, devido ao melhor controle na solubilização e liberação dos íons cálcio e fosfatos para o meio biológico durante o processo de neoformação óssea. O biomaterial nanocompósito HA/Al2O3 a 5% não apresentou resultados promissores neste estudo, e sugerem-se novas pesquisas a fim de investigar melhor o potencial e aplicabilidade deste novo biomaterial

Os cimentos de fosfato de cálcio apresentam uma série de vantagens de utilização em ortopedia e traumatologia, sendo as mais destacadas a sua biocompatibilidade e bioatividade, as quais permitem a osteocondução dos tecidos ósseos e o endurecimento “in situ”, permitindo maior facilidade de manipulação. Entretanto; através dos métodos convencionais de reação no estado sólido há uma grande dificuldade em se obter a fase α- fosfato tricálcico pura. Com o desenvolvimento deste trabalho foi possível sintetizar a fase α-fosfato tricálcico nanoestruturado com elevado grau de pureza, utilizando-se o método de síntese de combustão em solução. Após os estudos da influência do pH, da natureza do combustível (uréia ou glicina) e dos teores estequiométricos de combustível (0,75; 1,0; 1,5 e 2,0) foi possível definir os melhores parâmetros de síntese (pH 1,5 e combustível uréia em teor duas vezes maior do que o estequiométrico). Com a definição dos parâmetros ótimos de reação, estudou-se a viabilidade de sua utilização como cimento de fosfato de cálcio. Nesta etapa verificou-se a influência do tamanho de partícula através do tempo de moagem. Para tempo de moagem de 180 minutos foram obtidos valores de resistência mecânica à compressão de até 30,4 MPa. Porém após a imersão em solução de plasma sanguineo simulado (SBF) em tempos crescentes de até 28 dias, ocorreu a diminuição desta propriedade o que é indicativo da alta solubilidade dos pós de α-fosfato tricálcico obtidos via síntese de combustão em solução. O ensaio de citotoxicidade In Vitro demonstrou que o CFC sintetizado neste trabalho não apresentou efeito tóxico para as células. Na sequência do trabalho, investigou-se a viabilidade da aplicação do CFC como substituto ósseo e como carga cerâmica em criogéis poliméricos para utilização em engenharia de tecidos. Inicialmente utilizou-se o sistema dimetilaminoetil metacrilato (DMAEMA) com a adição de 5% de um ácido acrílico (ácido acrílico ou ácido metacrílico), porém tal sistema se mostrou muito instável e apresentou baixa reprodutibilidade. Dessa forma, substituiu-se o ácido acrílico pelo monômero hidroxietil metacrilato (HEMA), pelo fato de o último possuir maior estabilidade química e melhores propriedades mecânicas. Com o uso deste sistema foram obtidos arcabouços porosos através do método de criopolimerização com porosidade de até 75% e poros de até 1 milímetro de diâmetro. A adição de α-fosfato tricálcico às estruturas porosas pouco influenciou nas propriedades físicas da rede polimérica e nas propriedades mecânicas dos arcabouços porosos, porém aumentou significativamente a biocompatibilidade destes, permitindo a adesão e a proliferação de células tronco mesenquimais. A presença de colágeno do tipo I e de fosfatase alcalina são bons indicativos de que as células tronco mesenquimais estão se diferenciando em tecido ósseo e demonstram o potencial destes materiais para o seu uso como biomaterial e mais especificamente como substitutos ósseos. / The calcium phosphate cements have a large number of advantages regarding its use in orthopedics and traumatology, being the most prominent its biocompatibility and bioactivity, which allows the osteoconductive of bone tissue and in situ hardening, allowing greater ease of handling. However, the use of conventionals synthesis methods, e.g. solid state reactions, brings great difficulty to the obtainment of highly pure α- tricalcium phosphate phase. In this thesis, the use of the solution combustion synthesis method allowed to synthesize nanostructured α-tricalcium phosphate with high purity. Further studies on pHs influence, fuel natures (urea or glycine) and fuel ratio (0.75, 1.0, 1.5 and 2.0) allowed to define the best synthesis parameters (pH 1.5 and urea fuel content in two times higher than the stoichiometric). After choosing the best paramaters to the obtainment of higly pure α-tricalcium phosphate, we studied the feasibility of their use as calcium phosphate cement (CFC) by studing the influence of particle size by increasing the milling time from 30 to 180 minutes. The better results were found for the milling time of 180 minutes. Compressives strength of up to 30.4 Mpa were obtained for this formulation. However, after soaking the calcium phosphate cements in simulated blood plasma (SBF) in growing times up to 28 days, a decrease in the compressive strenght was noticed, which is an indicative of the high solubility of the α-tricalcium phosphate powders obtained by solution combustion synthesis. After the obtainment of the calcium phosphate cements, its application as bone substitute and as ceramic load in polymeric cryogels for use in tissue engineering were studied. Initially, the system dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA) with 5% of an acrylic acid (acrylic acid or methacrylic acid) was used, but due its great instability and lack of reproductbility this system was abandoned. Since it has greater chemical stability and good mechanical properties, the monomer hydroxyethyl methacrylate (HEMA) was chosen as pair to the DMAEMA monomer. With the use of this polymeric system, porous scaffolds with porosity of up to 75% and pores up to 1 mm in diameter were obtained by the method of cryopolymerization. The addition of α-tricalcium phosphate to the porous scaffolds did not showed a significant influence on physical properties of the polymer network nether on mechanical properties of porous structures. However, it increased significantly the biocompatibility of the scaffolds, allowing the adhesion and proliferation of mesenchymal stem cells. The presence of type I collagen and alkaline phosphatase are good indicators that mesenchymal stem cells are differentiating into bone tissue and demonstrate the potential application of these materials as biomaterials, more specifically as bone substitutes.

Os cimentos de fosfato de cálcio apresentam uma série de vantagens de utilização em ortopedia e traumatologia, sendo as mais destacadas a sua biocompatibilidade e bioatividade, as quais permitem a osteocondução dos tecidos ósseos e o endurecimento “in situ”, permitindo maior facilidade de manipulação. Entretanto; através dos métodos convencionais de reação no estado sólido há uma grande dificuldade em se obter a fase α- fosfato tricálcico pura. Com o desenvolvimento deste trabalho foi possível sintetizar a fase α-fosfato tricálcico nanoestruturado com elevado grau de pureza, utilizando-se o método de síntese de combustão em solução. Após os estudos da influência do pH, da natureza do combustível (uréia ou glicina) e dos teores estequiométricos de combustível (0,75; 1,0; 1,5 e 2,0) foi possível definir os melhores parâmetros de síntese (pH 1,5 e combustível uréia em teor duas vezes maior do que o estequiométrico). Com a definição dos parâmetros ótimos de reação, estudou-se a viabilidade de sua utilização como cimento de fosfato de cálcio. Nesta etapa verificou-se a influência do tamanho de partícula através do tempo de moagem. Para tempo de moagem de 180 minutos foram obtidos valores de resistência mecânica à compressão de até 30,4 MPa. Porém após a imersão em solução de plasma sanguineo simulado (SBF) em tempos crescentes de até 28 dias, ocorreu a diminuição desta propriedade o que é indicativo da alta solubilidade dos pós de α-fosfato tricálcico obtidos via síntese de combustão em solução. O ensaio de citotoxicidade In Vitro demonstrou que o CFC sintetizado neste trabalho não apresentou efeito tóxico para as células. Na sequência do trabalho, investigou-se a viabilidade da aplicação do CFC como substituto ósseo e como carga cerâmica em criogéis poliméricos para utilização em engenharia de tecidos. Inicialmente utilizou-se o sistema dimetilaminoetil metacrilato (DMAEMA) com a adição de 5% de um ácido acrílico (ácido acrílico ou ácido metacrílico), porém tal sistema se mostrou muito instável e apresentou baixa reprodutibilidade. Dessa forma, substituiu-se o ácido acrílico pelo monômero hidroxietil metacrilato (HEMA), pelo fato de o último possuir maior estabilidade química e melhores propriedades mecânicas. Com o uso deste sistema foram obtidos arcabouços porosos através do método de criopolimerização com porosidade de até 75% e poros de até 1 milímetro de diâmetro. A adição de α-fosfato tricálcico às estruturas porosas pouco influenciou nas propriedades físicas da rede polimérica e nas propriedades mecânicas dos arcabouços porosos, porém aumentou significativamente a biocompatibilidade destes, permitindo a adesão e a proliferação de células tronco mesenquimais. A presença de colágeno do tipo I e de fosfatase alcalina são bons indicativos de que as células tronco mesenquimais estão se diferenciando em tecido ósseo e demonstram o potencial destes materiais para o seu uso como biomaterial e mais especificamente como substitutos ósseos. / The calcium phosphate cements have a large number of advantages regarding its use in orthopedics and traumatology, being the most prominent its biocompatibility and bioactivity, which allows the osteoconductive of bone tissue and in situ hardening, allowing greater ease of handling. However, the use of conventionals synthesis methods, e.g. solid state reactions, brings great difficulty to the obtainment of highly pure α- tricalcium phosphate phase. In this thesis, the use of the solution combustion synthesis method allowed to synthesize nanostructured α-tricalcium phosphate with high purity. Further studies on pHs influence, fuel natures (urea or glycine) and fuel ratio (0.75, 1.0, 1.5 and 2.0) allowed to define the best synthesis parameters (pH 1.5 and urea fuel content in two times higher than the stoichiometric). After choosing the best paramaters to the obtainment of higly pure α-tricalcium phosphate, we studied the feasibility of their use as calcium phosphate cement (CFC) by studing the influence of particle size by increasing the milling time from 30 to 180 minutes. The better results were found for the milling time of 180 minutes. Compressives strength of up to 30.4 Mpa were obtained for this formulation. However, after soaking the calcium phosphate cements in simulated blood plasma (SBF) in growing times up to 28 days, a decrease in the compressive strenght was noticed, which is an indicative of the high solubility of the α-tricalcium phosphate powders obtained by solution combustion synthesis. After the obtainment of the calcium phosphate cements, its application as bone substitute and as ceramic load in polymeric cryogels for use in tissue engineering were studied. Initially, the system dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA) with 5% of an acrylic acid (acrylic acid or methacrylic acid) was used, but due its great instability and lack of reproductbility this system was abandoned. Since it has greater chemical stability and good mechanical properties, the monomer hydroxyethyl methacrylate (HEMA) was chosen as pair to the DMAEMA monomer. With the use of this polymeric system, porous scaffolds with porosity of up to 75% and pores up to 1 mm in diameter were obtained by the method of cryopolymerization. The addition of α-tricalcium phosphate to the porous scaffolds did not showed a significant influence on physical properties of the polymer network nether on mechanical properties of porous structures. However, it increased significantly the biocompatibility of the scaffolds, allowing the adhesion and proliferation of mesenchymal stem cells. The presence of type I collagen and alkaline phosphatase are good indicators that mesenchymal stem cells are differentiating into bone tissue and demonstrate the potential application of these materials as biomaterials, more specifically as bone substitutes.

Hořčík a kompozity fosforečnanu vápenatého jsou slibnými materiály pro biodegradabilní a nosné implantáty určené pro regeneraci kostí. Předložená práce je zaměřena na návrh, zpracování a charakterizaci vnitřně propojených kompozitů hořčíku s fosforečnanem vápenatým (Mg/CaP). Fosforečnany vápenaté jako jsou hydroxyapatit (HA), kalcium-deficitní hydroxyapatit (CDHA) a fosforečnan vápenatý (TCP) byly syntetizovány a použity pro výrobu skafoldů s kontrolovanou porozitou pomocí metody robocastingu. Byly připraveny porézní předlisky s ortogonální mřížkou a s vnitřními makropóry o velikosti ~500 µm, které byly následně slinovány za teploty 1100 °C po dobu 5 hodin. Vnitřně propojené Mg/CaP kompozity byly připraveny infiltrací čistého hořčíku a hořčíkových slitin obsahujících malá množství vápníku nebo zinku, například 0,2 hm.% vápníku a 1 hm.% zinku do porézních keramických skafoldů. Infiltrace byla provedena pomocí námi vyvinuté a nově popsané metody známé jako “Proudem asistovaná slinovací infiltrace” (z angl. Current Assisted Metal Infiltration (CAMI)). CAMI metoda umožňuje do 15 minut infiltrovat porézní keramický předlisek roztaveným kovem. Pulzujícím elektrickým proudem bylo dosaženo rychlého tavení a následného tuhnutí Mg/CaP kompozitů. Fyzikálně-chemické vlastnosti finálních vnitřně propojených kompozitů byly stanoveny pomocí rastrovací elektronové mikroskopie, počítačové mikro-tomografie, rentgenové difrakční analýzy a optické mikroskopie za účelem stanovení fázové distribuce a interakce mezi materiály. Kromě toho byla u připravených kompozitů hodnocena jejich mechanická pevnost v tlaku, degradační rychlost pomocí různých metod a biokompatibilita spolu s pokusem o uvedení těchto typů materiálů jako potenciálních degradabilních biomateriálů určených pro výrobu desek a/nebo šroubů pro ortopedické aplikace.

Orientador: Sheila Canevese Rahal / Resumo: O trabalho teve por objetivo comparar, por meio de exames de imagem e avaliações histológicas, dois parafusos de interferência bioabsorvíveis implantados em ovinos. Foram utilizados 22 ovinos, misto de Santa Inês, adultos, fêmeas, com massa corpórea média de 42,3 kg. Em todos os animais, o membro pélvico direito recebeu o parafuso de PDLLA (70% de L-lactídeo e 30% de DL-lactídeo) e o membro pélvico esquerdo recebeu parafuso de PDLLA 70/30 + β-TCP (30% de beta fostato tricálcico), os quais foram aplicados na região metafisária distal do fêmur por acesso lateral. Os animais foram submetidos à eutanásia, de acordo com o tempo de observação e permanência dos implantes, como segue: 1 mês (n=6), 4 meses (n=5), 7 meses e meio (n=6), 18 meses (n=5). Pelo exame radiográfico, o local de inserção do parafuso PDLLA mostrava-se inicialmente como área radiolucente circular, que progressivamente apresentou-se menos definido e com presença de radiopacidade central. Pela tomografia computadorizada (TC) havia área de hipodensidade no período inicial, que com o passar do tempo apresentou aumento da densidade no eixo central. No último tempo de avaliação, a microTC mostrou acentuado aumento da densidade do parafuso, principalmente nas regiões corticais. Na avaliação histologia o parafuso estava degradado, com áreas de formação óssea discretas e outras mais evidentes. O parafuso de PDLLA/β-TCP foi facilmente identificado nas avaliações iniciais pelos exames de imagem, sendo tanto radiopaco como h... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This study aimed to compare two bioabsorbable interference screws implanted in sheep. Twenty-two Santa Inês mixed sheep, adults, females, mean body mass of 42.3 kg were used. In all sheep, the right hind limb received PDLLA screw (70% L-lactide and 30% D,L-lactide) and the left hind limb received PDLLA70/30 + β-TCP (30% beta-tricalcium phosphate) screw, which were applied in the distal metaphyseal region of the femur by lateral access. The animals were submitted to euthanasia, according to observation time and permanence of the implants, as follows: 1 month (n = 6), 4 months (n = 5), 7.½ months (n = 6), 18 months (n = 5). On radiographs, the PDLLA screw insertion site was initially visibilized as a circular radiolucent area, which progressively was less defined and had central radiopacity. Computed tomography (CT) showed an area of hypodensity in the early period, and over time showed increased density in the central axis. At the last evaluation time, the microCT showed a marked increase in screw density, especially in the cortical regions. In the histology, the screw was degraded, with discrete bone formation areas and others more evident. The PDLLA/β-TCP screw was easily identified in the initial evaluations by imaging exams, being radiopaque and hyperdense, with progressive loss of definition by radiographic examination and density change on CT. In the last evaluation, the screw remained hypodense and surrounded by discrete bone tissue on microCT. Histologically, its centr... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor