Materiais vítreos e vitrocerâmicos bioativos podem ser usados particulados ou como scaffolds em diferentes tratamentos de defeitos ósseos. Tratamentos térmicos que possibilitam o desenvolvimento de scaffolds a partir de composições de vidros bioativos introduzem fases cristalinas em sua estrutura amorfa com potencial impacto na bioatividade e biocompatibilidade do material. O objetivo do presente estudo foi avaliar, qualitativa e quantitativamente, o desenvolvimento do fenótipo osteogênico de culturas de células osteoblásticas sobre substratos vítreos e vitrocerâmicos bioativos. Células MC3T3-E1 foram cultivadas em condições osteogênicas por períodos de até 21 dias sobre superfícies de Bioglass® 45S5, de duas preparações de vitrocerâmica bioativa e altamente cristalina, Biosilicato® e Biosilicato® para scaffold, e de borosilicato (vidro bioinerte). Foram avaliados, nos períodos de 7, 12 e 21 dias, morfologia celular, formação de matriz mineralizada e expressão de genes relacionados à osteogênese. Os resultados mostraram confluência das culturas sobre as superfícies de vidros e vitrocerâmicas, com progressiva formação de multicamadas celulares. A quantificação de vermelho de Alizarina revelou aumento de mineralização para culturas sobre materiais bioativos, com os maiores valores para Biosilicato® para scaffold. Expressão diferencial de genes foi observada nos 3 períodos de culturas sobre os materiais vítreo e vitrocerâmicos bioativos em comparação ao vidro bioinerte e sobre as vitrocerâmicas em comparação ao vidro bioativo. Os resultados permitem concluir que modificações em aspectos químicos de materiais vítreos e vitrocerâmicos, com efeitos sobre sua bioatividade, resultam em alteração do potencial osteogênico e do perfil de expressão gênica de células osteoblásticas in vitro. A maior atividade osteogênica sobre o Biosilicato® para scaffold permite considerar esse material um potencial candidato para aplicações em defeitos ósseos. / Bioactive glasses and glass-ceramics have been used as bone substitutes in either particulate or scaffold forms. Various thermal treatments that allow the development of scaffolds from bioactive glasses may create varied proportions of new crystalline phases in the amorphous phase with a potential impact on the bioactivity and biocompatibility of the material. The aim of the present in vitro study was to qualitatively and quantitatively evaluate the development of the osteogenic phenotype in osteoblastic cell cultures grown on bioactive glass and glass-ceramic surfaces. MC3T3-E1 cells, subclone 14, were cultured under an osteogenic condition for periods of up to 21 days on the following disc surfaces: Bioglass® 45S5 (bioactive glass), Biosilicate® (bioactive glass-ceramic), Biosilicate® as the material for scaffold preparation (Bio-sc, bioactive glass-ceramic), and borosilicate (bioinert glass). At days 7, 12, and 21 post-plating, cell morphology, mineralized matrix formation and the expression profile of genes associated with osteogenesis were evaluated. Epifluorescence of actin cytoskeleton and DAPI DNA stain revealed confluent cell cultures at day 7 for all groups, with progressive cell multilayering formation. The quantitative analysis of Alizarin red-stained cultures at day 21 revealed significantly enhanced mineralization in cultures grown on bioactive materials compared with the ones on borosilicate and the highest absorbance intensities for the Bio-sc group. Differential gene expression profiles were detected at the three time points evaluated in cultures grown on the bioactive materials in comparison with borosilicate, and on the glass-ceramics in comparison with Bioglass® 45S5. From the results presented, it can be concluded that changes in chemical characteristics of glass and glass-ceramic that may have an impact on their bioactivity index can affect the osteogenic potential and the gene expression profile of osteoblastic cells in vitro. The highest osteogenic activity on Bio-sc renders this material a good candidate for bone defect applications.

Made available in DSpace on 2017-07-21T19:25:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ivan Mathias.pdf: 11996423 bytes, checksum: f3bdcfad9b494e72052f6a36c4a749d4 (MD5) Previous issue date: 2015-04-01 / Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná / In this work two vitreous systems are studied, the lithium disilicate (LS2) and sodiumcalcium-silica with stoichiometry 2Na2O.CaO.3SiO2 (2N1C3S) and the glassceramics formed from these by heat treatment. Several properties were determined for the two systems as a function of crystallized volume fraction, from glass to fully crystallization (100%), highlighting the fracture toughness and the brittle-ductile transition, with the last two determined only for the LS2 glass-ceramic. Hardness and elastic modulus were obtained for the two glass-ceramics and their values increase with the crystallized volume fraction in the glass ceramic, with the exception of hardness of 2N1C3S, which has its maximum for the crystallized volume fraction of 9%. Thermal expansion coefficients were determined and are larger in the LS2 glassy phase and in the 2N1C3S crystalline phase, thereby generating mean residual stresses obtained by Selsing model of -76 MPa for the LS2 (compression in the crystal) and 232 MPa for the 2N1C3S (traction in the crystal). The indentation fracture toughness was also determined for the two systems using the Anstis' and Niihara's models. The results show an increase of indentation fracture toughness with the crystalline volume fraction for LS2 glass-ceramic and also a dependence with indentation load. As for the 2N1C3S glass-ceramic, indentation fracture toughness are reduced at intermediate crystalline fractions, which is attributed to residual stresses arising from the difference between the thermal expansion mismatch between the glass and the crystalline phases. LS2 glass-ceramic flexural strength increases with the crystalline fraction, from 103 ± 3 MPa for the glass to 260 ± 20 MPa for the fully crystallized sample. Without the removal of the crystallization surface layer, this value rises to 290 ± 20 MPa. The increase in flexural strength in the first 20% of the crystallized fraction is more pronounced. As the size of the precipitates was kept constant, this increase can be related only to the increase in the crystallized fraction. The residual stress in the matrix, the critical radius of spontaneous cracking of the crystals and the crack mean free path between the precipitates were considered in the analysis of the increase in flexural strength. The existence of pores in the samples was a factor that limited its resistance. The fracture toughness (KDTIC) a function of the crystallized fraction was determined for LS2 glassceramics using the double torsion technique. It was found that KDTIC increases with the crystallized fraction, from 0.75 MPa.m1/2 for the glass to about 3.50 ± 0.05 MPa.m1/2 for the fully crystallized sample, a significant increase of approximately five times. Several factors were analyzed as possible causes of the increase in KDTIC. The experimental data are better adjusted with a recently proposed model with one adjustable parameter that relates the ratio of the crystal and glass areas to the crystallized volume fraction. The brittle-ductile transition (BDT) of LS2 glass and glass-ceramic samples (39% crystallized volume fraction) were determined for three different strain rates. BDT temperatures were determined for each strain rate.Activation energies of BDT for the glass and glass-ceramic were obtained, which were 5.2 ± 0.2 eV and 7 ± 2 eV. It was found that BDT activation energy in glass resembles the activation energy of the LS2 viscous flow, thus concluding the BDT in LS2 is governed by viscous flow of the glass matrix. Finally, the fact of the activation energy of the glass ceramic be larger than the glass was attributed to the fact that the viscosity of the vitreous matrix is "hindered" by the presence of crystalline precipitates. A viscosity model of a rigid spheres composite was used as an analogy to explain this observation. / No presente trabalho são estudados dois sistemas vítreos, o dissilicato de lítio (LS2) e o soda-cal-sílica de estequiometria 2Na2O.CaO.3SiO2 (2N1C3S), bem como os vitrocerâmicos formados a partir destes através de tratamentos térmicos. Diversas propriedades foram determinadas para os dois sistemas em função da fração cristalizada, desde vidro até os 100%, com destaque para a tenacidade à fratura e a transição frágil-dúctil, sendo estas últimas determinadas somente para o LS2. Dureza e módulo de elasticidade foram obtidos para os dois sistemas e seus valores aumentam com a fração volumétrica cristalizada no vitrocerâmico, com exceção da dureza no 2N1C3S, que tem seu máximo para a fração cristalizada de 9%. Os coeficientes de expansão térmica foram determinados e são maiores na fase vítrea do LS2 e na fase cristalina do 2N1C3S, gerando assim tensões residuais médias obtidas pelo modelo de Selsing de -76 MPa para o LS2 (compressiva no cristal) e 232 MPa para o 2N1C3S (trativa no cristal). A tenacidade à fratura por indentação (KC) foi determinada também para os dois sistemas, sendo utilizados os modelos de Anstis e Niihara. Os resultados mostram um aumento com a fração cristalina para o LS2 e também uma dependência com a carga utilizada no teste. Já para o 2N1C3S, os valores de KC sofrem uma redução em frações cristalinas intermediárias, comportamento atribuído às tensões residuais oriundas da diferença entre os coeficientes de expansão térmica e anisotropias elásticas do material. Os ensaios de resistência à flexão mostraram que para o LS2 a resistência aumenta com a fração cristalina, passando de 103 ± 3 MPa para o vidro para 260 ± 20 MPa para a amostra totalmente cristalizada. Se não removermos a camada de cristalização superficial, este valor sobe para 290 ± 20 MPa. O aumento da resistência à flexão nos primeiros 20% da fração cristalizada é mais pronunciado. Como o tamanho dos precipitados foi mantido constante, esse aumento pode ser relacionado apenas ao aumento na fração cristalizada. A tensão residual na matriz, o raio crítico dos cristais para trincamento espontâneo e o livre caminho médio da trinca entre os precipitados foram considerados na análise do aumento da resistência à flexão. A existência de poros nas amostras foi um fator que limitou a sua resistência. Caso amostras sem poros fossem feitas, um aumento em torno de 20 a 30% da resistência seria obtido. A tenacidade à fratura (KDTIC) foi determinada para o LS2 pela técnica de torção dupla em função da fração cristalizada. Foi verificado que KDTIC aumenta com a fração cristalizada, passando de 0,75 MPa.m1/2 para o vidro para cerca de 3,50 ±0,05 MPa.m1/2 para a amostra totalmente cristalizada, um aumento significativo de aproximadamente cinco vezes. Diversos fatores foram apontados como possíveis causas do aumento da tenacidade e foi verificado que os fatores considerados de forma isolada não são suficientes para descrever completamente o aumento na tenacidade. Os dados experimentais são melhor ajustados com um modelo de um parâmetro de ajuste recentemente proposto que relaciona a razão entre as áreas dos cristais e do vidro na superfície de fratura com a fração cristalizada. A transição frágil-dúctil (TFD) de amostras vítreas e vitrocerâmica (39% fração cristalizada) de LS2 foram determinadas para três taxas de deformação. Foram determinadas as temperaturas de TFD para cada uma das taxas e foi verificada uma dependência com a taxa de deformação. Foram calculadas as energias de ativação para a TFD no vidro e vitrocerâmico, sendo elas de 5,2 ± 0,2 eV e 7 ± 2 eV. Verificou-se que a energia de ativação da TFD no vidro se assemelha a energia de ativação do escoamento viscoso do LS2, concluindo assim que a TFD no LS2 é governada pelo escoamento viscoso da matriz vítrea. Por fim, o fato da energia de ativação do vitrocerâmico ser maior que do vidro foi atribuída ao fato de que a viscosidade da matriz vítrea seria "dificultada" pela presença dos precipitados cristalinos. Um modelo de viscosidade de um compósito com esferas rígidas foi utilizado como analogia para explicar essa observação.