Bone defects resulting from disease or traumatic injury is a major health care problem worldwide. Tissue engineering offers an alternative approach to repair and regenerate bone through the use of a cell-scaffold construct. The scaffold should be biodegradable, biocompatible, porous with an open pore structure, and should be able to withstand the applied forces. Phosphate-based glasses (PGs) may be used as reinforcing agents in degradable composites since their degradation can be predicted and controlled through their chemistry. This doctoral dissertation describes the development and evaluation of PGs reinforced biodegradable polyesters for intended applications in bone augmentation and regeneration. This research was divided into three main objectives: 1) Investigating the composition dependent properties of novel PG formulations by doping a sodium-free calcium phosphate-based glass with SiO2, Fe2O3, and TiO2. Accordingly, (50P2O5-40CaO- xSiO2-(10-x)Fe2O3, where x = 10, 5 and 0 mol.%) and (50P2O5-40CaO-xSiO2-(10-x)TiO2 where x = 10, 7, 5, 3 and 0 mol.%) formulations were developed and characterised. SiO2 incorporation led to increased solubility, ion release, pH reduction, as well as hydrophilicity, surface energy, and surface polarity. In contrast, doping with Fe2O3 or TiO2 resulted in more durable glasses, and improved cell attachment and viability. It was hypothesised that the presence of SiO2 in the TiO2-doped formulations could up-regulate the ionic release from the PG leading to higher alkaline phosphatase activity of MC3T3-E1 cells. 2) Incorporating Si, Fe, and Ti doped PGs as fillers, either as particulates (PGPs) or fibres (PGFs), into biodegradable polyesters (polycaprolactone (PCL) and semi-crystalline and amorphous poly(lactic acid) (PLA and PDLLA)) with the aim of developing degradable bone analogous composites. It was found that PG composition and geometry dictated the weight loss, ionic release, and mechanical properties of the composites. It was also hypothesised that a potential reaction between Si and the ester bond led to the formation of carboxylate by-products resulting in a lower molecular weight polymer, thus affecting the mechanical properties of the composites. Cytocompatibility assessment with MC3T3-E1 preosteoblasts showed that these composites were cytocompatible, and cell alignment along the PGFs was observed possibly due to their favourable ionic release properties. 3) Investigating the solid-state foaming using carbon dioxide (CO2) of PDLLA-PGP composites with up to 30 vol.% filler content. While PDLLA foams resulted in 92% porosity, the porosity of the composites ranged between 79 and 91% which decreased with PGP content. In addition, a reduction in pore size was observed with increasing PGP content; however, the pore size maintained its range of 200-500 µm in all composite foams, suitable for bone tissue engineering applications. The percentage of open pores increased significantly with PGP content (up to 78% at 30 vol.% PGP). Compressive strength and modulus of PDLLA-PGP foams showed up to approximately 3-fold increase at 30 vol.% PGP content compared to neat PDLLA foams. / Les défauts osseux découlant de maladies ou de traumatismes constituent un problème de santé majeur à l'échelle mondiale. Le génie tissulaire représente une autre option pour réparer et régénérer des os en faisant appel à l'échafaudage cellulaire. L'échafaudage ainsi produit devrait fournir un milieu adéquat pour la prolifération et la différentiation des ostéoblastes et entraîner, à terme, la formation d'os. L'échafaudage doit être biodégradable, biocompatible, poreux à structure ouverte, et doit pouvoir résister aux forces appliquées. Des verres à base de phosphate (PG) peuvent être utilisés comme agents de renforcement dans des composites biodégradables puisque leur dégradation peut être prédite et maîtrisée par l'intermédiaire de leurs propriétés chimiques. La présente thèse de doctorat décrit la mise au point et l'évaluation de polymères biodégradables renforcés avec des PG pour des applications d'augmentation et de régénération osseuses. La recherche présentée visait les trois principaux objectifs suivants : 1) l'étude des propriétés dépendantes de la composition de nouvelles formulations de PG par le dopage de verres de calcium à base de phosphate exempts de sodium (50P2O5-40CaO, en % molaire) avec du SiO2, du Fe2O3 et du TiO2. Ainsi, des formulations de (50P2O5-40CaO-xSiO2-(10-x)Fe2O3, où x = 10, 5 et 0 % mol) et (50P2O5-40CaO-xSiO2-(10-x)TiO2 où x = 10, 7, 5, 3 et 0 % mol) ont été mises au point et caractérisées. L'incorporation de SiO2 s'est traduite par une augmentation de la solubilité, de la libération d'ions, de la réduction du pH, ainsi que de l'hydrophilicité, de l'énergie de surface et de la polarité. En revanche, le dopage au Fe2O3 ou au TiO2 a donné des verres plus durables, en plus d'améliorer la fixation et la viabilité cellulaires. Il a été postulé que la présence de SiO2 dans les formulations dopées au TiO2 pourrait accroître la libération d'ions des PG, entraînant ainsi une activité de l'ALP accrue des cellules MC3T3-E1. 2) l'incorporation de PG dopés aux Si, Fe et Ti comme charges, sous forme de particules ou de fibres, dans des polyesters biodégradables (polycaprolactone (PCL) et acides polylactiques amorphes (PLA et PDLLA)) dans le but de mettre au point des composites dégradables analogues aux os. Il a été établi que la composition et la géométrie des PG déterminent la perte de poids, la libération d'ions, et les propriétés mécaniques des composites. Il a également été postulé qu'une réaction potentielle entre le Si et le lien ester entraînait la formation de sous-produits de carboxylate, ce qui se traduirait par un polymère de poids moléculaire réduit et aurait ainsi une incidence sur les propriétés mécaniques des composites. L'évaluation de la cytocompatibilité avec les préostéoblastes MC3T3-E1 a démontré que ces composites étaient cytocompatibles, et un alignement de cellules le long des PGF a été observé, qui pourrait être dû à leurs propriétés de libération d'ions favorables. 3) l'investigation du moussage en milieu solide avec du dioxyde de carbone (CO2) de composites de PDLLA-PGP contenant jusqu'à 30 % vol de charge. Alors que les mousses de PDLLA présentaient 92 % de porosité, la porosité des composites allait de 79 % à 91 %, diminuant avec la teneur en PGP. En outre, une réduction de la taille des pores a été observée avec l'augmentation de la teneur en PGP; la fourchette de dimensions des pores est toutefois demeurée la même (de 200 µm à 500 µm) pour toutes les mousses de composites, qui conviennent à des applications en génie tissulaire osseux. Le pourcentage de pores ouverts a augmenté significativement avec la teneur en PGP (jusqu'à 78 % à 30 % vol de PGP). La résistance à la compression et le module d'élasticité en compression des mousses PDLLA-PGP avaient à peu près triplé à 30 % vol de PGP par rapport à celles des mousses seulement constituées de PDLLA.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.107830 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Shah Mohammadi, Maziar |
| Contributors | Martin Bureau (Supervisor2), Showan Nazhat (Supervisor1) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Mining and Materials) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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