Desenvolvimento de um compósito de aerogel-polímero para regeneração óssea

Abstract

O presente trabalho teve por objetivo desenvolver um compósito de aerogel/xerogel com polímero, um natural e um sintético, quitosano (CH) e policaprolactona (PCL), respetivamente, de forma a satisfazer as necessidades para a regeneração óssea. Pretende-se que os compósitos sintetizados exibam valores baixos de densidade, elevada porosidade e resistência mecânica semelhante ao osso humano e que sejam de fácil adaptação ao tecido humano. A incorporação de polímero para a formação do compósito foi abordada por duas vias diferentes, nomeadamente, adicionar o aerogel/xerogel moído ao polímero (policaprolactona), e, realizar a síntese de aerogel juntamente com o polímero (quitosano), adicionando-o ao sol.Os precursores de sílica escolhidos para a síntese de aerogel foram o tetraetilortossilicato (TEOS) e metiltrimetoxisilano (MTMS), um hidrofílico e um hidrofóbico de forma a avaliar o comportamento de cada um deles. A avaliação das propriedades foi feita através da massa volúmica bulk, estrutura química, análise térmica e testes mecânicos, de biocompatibilidade e hidrofobicidade.Não foi possível sintetizar o compósito de MTMS com quitosano sob a forma de monólito pela dificuldade em encontrar a formulação para que este depois da liofilização mantivesse a forma de monólito. Assim, apenas se sintetizaram compósitos de TEOS com quitosano. Analisando os resultados da viabilidade celular, observa-se que o compósito de TEOS com quitosano teve valores muito baixos de viabilidade celular ao fim de 7 dias, pelo que não foram feitas mais caracterizações desta amostra. No entanto, a amostra de MTMS/PCL com 0,5:1 (m/m) ao fim de 7 dias apresenta valores de viabilidade celular aceitáveis, pelo que é a mais promissora para esta aplicação.Os valores da densidade encontram-se entre 170-680 kg/m3, sendo mais baixos do que os da literatura para o osso humano (1700-2000 kg/m3). As imagens de SEM e EDS permitiram observar que nos compósitos de aerogel/xerogel com PCL, a sílica corresponde a partículas quadradas, lisas e irregulares nas imagens. Algumas amostras são porosas, com tamanho de poro entre 1-2 µm. Pela análise dos testes mecânicos, observa-se que os compósitos com MTMS apresentam menor valor de Módulo de Young e por isso são mais flexíveis do que os compósitos de TEOS/PCL.É possível concluir que a amostra MTMS/PCL com 0,5:1 (m/m) exibe os melhores resultados para a aplicação pretendida, uma vez que após 7 dias de incubação apresentam maior viabilidade celular, é flexível (menor valor de Módulo de Young, entre 15,8 kPa) e é hidrofóbica (ângulos de contacto, 93º). Os valores obtidos de densidade e Módulo de Young encontram-se abaixo dos valores da literatura para a regeneração óssea.

The present work aimed to develop an aerogel/xerogel composite with polymer, one natural and one synthetic, chitosan (CH) and polycaprolactone (PCL), respectively, to meet the needs for bone regeneration. It is intended that the synthesized composites exhibit low-density values, high porosity, and mechanical strength similar to the human bone and that they are easily adaptable to human tissue. The incorporation of polymer to form the composite was attempted via two different routes, namely, adding the ground aerogel/xerogel to the polymer (polycaprolactone) or performing the synthesis of aerogel together with the polymer (chitosan) by adding it in the sol.The silica precursors chosen for aerogel synthesis were tetraethylorthosilicate (TEOS) and methyltrimethoxysilane (MTMS), one hydrophilic and one hydrophobic to evaluate the behavior of each of them. The obtained materials were characterized by bulk density mass, chemical structure, thermal analysis, and mechanical, biocompatibility, and hydrophobicity tests.It was not possible to synthesize the composite of MTMS with chitosan in the form of a monolith due to the difficulty in finding the formulation that kept the form after lyophilization. Thus, only TEOS composites with chitosan were synthesized. By analyzing the results of cell viability, it is observed that the TEOS with chitosan composite had very low values of cell viability after 7 days, so no further characterizations were made. However, the MTMS/PCL sample with 0.5:1 (m/m) after 7 days presented acceptable cell viability values, so it was the most promising for this application.The density values obtained between 170-680 kg/m3 are lower than those in the literature for human bone. The SEM and EDS analysis allowed us to observe that in the aerogel/xerogel composites with PCL, the silica corresponds to square, smooth, and irregular particles in the images. Some samples are porous, with pore sizes between 1-2 µm. From the analysis of the mechanical tests, it is observed that the composites with MTMS have lower Young's Modulus value and therefore are more flexible than the TEOS/PCL composites.It is possible to conclude that the MTMS/PCL sample with 0.5:1 (w/w) showed the best results for the intended application since after 7 days of incubation they presented good cell viability, are flexible (lower Young's Module value, between 15.8 kPa) and hydrophobic (contact angles, 93º). The values obtained for density and Young's modulus are below the values in the literature for bone regeneration.