Preparação de compósitos a base de polímeros e sílica mesoporosa para aplicação em engenharia de tecidos duros utilizando a técnica de foaming por tecnologia supercrítica

Abstract

Despite the chemical and biological properties, the success of processes towards the development of hard tissue engineering porous materials strongly relies on the control over physical properties such as, porosity, average pore diameter, surface area, surface roughness (tribological properties), compressive, tensile and shear strength and crystallinity. Polymeric materials do not present sufficient mechanical properties for hard tissue engineering applications, so the incorporation of an inorganic filler, producing porous composite biomaterials arises as solution to adopt towards the development of mechanical improved materials. Conventional methods of polymer processing into porous materials, usually make use of environmental hazardous compounds, such as organic substances. Employing such compounds leads to the need of a further processing step of removal, in order to decrease the potential toxicity of the produced materials. This step usually involves the use of high temperatures, which, on its turn may unable the incorporation of thermosensitive bioactive compounds during processing. Supercritical carbon dioxide (scCO2) foaming/mixing process (SFM) arises as a clean and environmental safe alternative towards the production of porous biomaterials for hard tissue engineering applications, allowing to incorporate bioactive compounds without degrade them, due to its easily achievable supercritical conditions and recovery feature. Also, CO2 acts as a temporary plasticizer and as foaming agent, reducing the melting (Tm) and glass transition (Tg) temperatures of several polymers facilitating their processing. This work is divided into four stages, with the main goal to optimize processing and obtain composite porous materials with controlled morphology, mechanical and thermal properties towards hard tissue engineering applications. On the first stage poly(ε-caprolactone) (PCL)-based porous composite biomaterials were produced by SFM by pressure quench at constant processing conditions, namely pressure (20 MPa), temperature (45ºC), depressurization rate (1 MPa.min-1) and contact time (2h). Three inorganic fillers were incorporated, hydroxyapatite (HA), montmorillonite (MMT) and mesoporous silica nanoparticles SBA-15 type (SBA-15), in two compositions (10 and 20 wt. %). The obtained composites were morphologically (macroscopic and water absorption analysis) and mechanically (compression tests) characterized. Composite porous biomaterials were found to be morphologically and mechanically enhanced due to the incorporation of these fillers. The obtained results were not conclusive in order to choose an inorganic type and composition as the optimum towards the development of a porous composite biomaterial for hard tissue engineering applications, since no homogeneous dispersion of the fillers was obtained. So, SBA-15 was chosen as the ideal filler due to its high surface area and mesoporous feature, ensuring to the biomaterial an extra drug carrier potential. On the second stage PCL porous biomaterials were produced by SFM at variable processing conditions in order to obtain an optimum set of operating conditions towards the development of hard tissue engineering-grade materials, based on their morphological and mechanical properties. At constant pressure (20 MPa) and contact time (2h) a variation on scCO2 density of 100 kg.m-3 and 2 Pa.s on scCO2 viscosity were tested, by varying the operating temperature, employing 35, 40, 45 and 50ºC. Two depressurization rates were also tested, of 1 MPa.min-1 and 0.3 MPa.min-1. It was found that operating at a temperature of 40ºC with a depressurization rate of 0.3 MPa.min-1 and at a temperature of 45ºC with a depressurization rate of 1 MPa.min-1 similar morphological properties were obtained (BET average pore diameter of 0.5 ± 0.0 and 0.6 ± 0.0 μm respectively) tough the first set yielded into improved mechanical properties (Young’s modulus of 32.6 ± 3.0 MPa comparing to 23.9 ± 1.2 MPa). The first set of operation conditions was found to be the optimum, so the obtained results in this work could be compared with previous works. On the third stage, PCL/SBA-15 (20 and 30 wt. %) porous composite biomaterials were produced by SFM at the optimal operating conditions, determined in the previous stage. These composite porous biomaterials were also additivated with greener and safer liquid additives, which are expected to act as porogenic agents, plasticizers and polymer compatibilizers, such as Glycofurol (GF), a FDA approved hydrotrope and Trihexyl(tetradecyl) phosphonium bis (trifluoromethylsulfonyl)imide (TTPB), a nontoxic ionic liquid in a molar composition of 98% relative to PCL and in three relative molar proportions, in mixture, (GF:TTPB) of 2:1, 3:1 and 5:1. The effects of the inorganic filler and liquid additives were assessed by scanning electron microscopy - energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS), mercury intrusion, nitrogen adsorption, helium picnometry, simultaneous differential thermal analysis (SDT), X-ray diffraction (XRD) and with compression tests. By macroscopic and microscopic (SEM) analysis a SBA-15 composition of 30 wt. % was found to be a high silica content. The results from SEM-EDS confirmed the presence of the liquid additives and the filler, as well as their improved foaming effect, if compared with samples without. From mercury intrusion the strong porogenic effect of TTPB was confirmed with an increase on porosity from 28.5 ± 1.1 to 41.2 ± 0.2 %. From nitrogen adsorption an increase on BET surface area was found when a mixture of the two additives in a molar proportion of 2:1 was incorporated, from 0.8 ± 0.1 to 2.3 ± 0.4 m2.g-1. Helium picnometry confirmed an overall increase on the real density of the produced porous composite biomaterials when SBA-15 (20 wt. %) was incorporated. A decrease on the melting temperature was found when the liquid additives were incorporated (from 66.1 ± 0.1 to 60.1 ± 0.6ºC for GF and to 64.9 ± 0.9ºC for TTPB). The incorporation of SBA-15 was found to have little effect on the melting temperature and on thermal degradation temperature of the produced porous composite biomaterials. Crystallinity of the produced additivated porous biomaterials was found to decrease when liquid additives were incorporated, by SDT, but by XRD it was found to slightly change when a single additive was incorporated (decreasing with GF and increasing with TTPB), but the same trend was found by both techniques when a mixture of the two liquid additives was incorporated, decreasing PCL crystallinity. By the compression test, again, an increase on the compression strength at rupture was found with the incorporation of SBA-15 (20 wt. %) from 1.9 ± 0.4 to 7.8 ± 0.3 MPa. In overall, the addition of the liquid additives led into more ductile materials, as expected. On the fourth stage, fixation devices of pure PCL and PCL/SBA-15 (10 wt. %) composite, for hard tissue engineering applications were produced using stainless steel moulds, by SFM at constant pressure (20 MPa), temperature (40ºC), depressurization rate (2 MPa.min-1) and contact time (2h). Those devices were morphologically characterized by SEM-EDS. It was found a reduction on average pore diameter, by image analysis, from 569.6 ± 0.5 to 209.5 ± 1.2 μm, for the pin device, when SBA-15 (10 wt. %) was incorporated. It is showed that by SFM it is possible to produce materials with the desired shape, size and with controlled properties, using large scale techniques, coupling SFM to an extruder or to an injection blower, for example. With this work it is showed that SFM allows to obtain porous biomaterials with controlled physical properties in a safer and environmentally friendly manner when compared with conventional techniques, allowing to process polymers at low temperatures. It was shown that is, thus, possible to incorporate, in the future, a bioactive compound, in which PCL and/or SBA- 15 can act as carriers for delivery and/or controlled release, what would enhance the biological activity of the produced biomaterials. Adding SBA-15 is revealed as a good approach with high potential for hard tissue engineering applications. It stays proven that incorporating TTPB the processability of the polymer is facilitated and by adding GF the morphology of the porous biomaterials, like average pore diameter, can be controlled. Such composite porous materials can be used for these applications, through their incorporation into bone/dental defects filling materials (cements, hydrogels, etc.). With SFM it is possible to produce materials with controlled shape, size and physical properties, using moulds, which largely enhances the economic potential of such process

Para além das propriedades químicas e biológicas o sucesso de processos de desenvolvimento de materiais adequados para engenharia de tecidos duros depende fortemente do controlo sob propriedades físicas como, porosidade, tamanho médio de poro, área de superfície, rugosidade da superfície (propriedades tribológicas), força de compressão, tensão de cisalhamento e cristalinidade. Materiais poliméricos não possuem propriedades mecânicas suficientes para aplicações em engenharia de tecidos duros, a incorporação de um enchimento inorgânico, produzindo materiais compósitos porosos surge como a solução a adotar para o desenvolvimento de materiais com propriedades mecânicas melhoradas. Os métodos convencionais de processamento de polímeros em materiais porosos, normalmente fazem uso de compostos perigosos para o ambiente, como substâncias orgânicas. Utilizando este tipo de compostos leva à necessidade de acrescentar uma etapa de processamento de remoção destes compostos, de forma a reduzir a possível toxicidade dos materiais produzidos. Esta etapa de processamento, geralmente envolve a utilização de temperaturas elevadas, que podem, por sua vez, impedir a incorporação de compostos bioativos termo sensíveis durante o processamento. Este trabalho está dividido em quatro etapas, com o principal objetivo de otimizar o processamento supercrítico e obter materiais com propriedades morfológicas, mecânicas e térmicas controladas para aplicação em engenharia de tecidos ósseos. O processo de foaming/mistura com CO2 supercrítico (SFM) surge como uma alternativa limpa e amiga do ambiente para a produção de materiais porosos para aplicações em engenharia de tecidos duros, permitindo a incorporação de compostos bioativos sem os degradar, devido à facilidade em atingir as condições supercríticas do CO2 e à sua possível recuperação. O CO2 atua, também, como um plastificante temporário e como agente de foaming, reduzindo as temperaturas de fusão (Tm) e de transição vítrea (Tg) de vários polímeros, facilitando o seu processamento. Este trabalho encontra-se dividido em quatro etapas, com o principal objetivo de otimizar o processamento e obter materiais compósitos porosos com morfologia, e propriedades mecânicas e térmicas controladas para aplicação em engenharia de tecidos duros. Na primeira etapa foram produzidos materiais porosos compósitos à base de por SFM por pressure quench sob condições de operação constantes, nomeadamente pressão (20 MPa), temperatura (45ºC), taxa de despressurização (1 MPa.min-1) e tempo de contacto (2h). Foram incorporados três enchimentos inorgânicos, hidroxiapatite (HA), montmorillonite (MMT) e nanoparticulas de sílica mesoporosa do tipo SBA-15 (SBA-15), em duas composições (10 e 20 wt. %). Os compósitos obtidos foram caracterizados quanto à sua morfologia (análise macroscópica e teste de absorção de água) e quanto às suas propriedades mecânicas (testes de compressão). Os biomateriais compósitos apresentaram tanto propriedades morfológicas como mecânicas melhoradas com a incorporação destes enchimentos. Os resultados obtidos não foram conclusivos de forma a se poder escolher um tipo de inorgânico e composição como ótimo para o desenvolvimento de um biomaterial compósito poroso para aplicação em engenharia de tecidos duros, uma vez que foram sempre obtidas dispersões heterogéneas dos enchimentos inorgânicos. Portanto, SBA-15 foi escolhido como enchimento inorgânico ideal devido à sua elevada área de superfície e carácter mesoporoso, garantindo ao biomaterial compósito um potencial extra de transporte de substâncias bioativas. Na segunda etapa foram produzidos biomateriais porosos de PCL por SFM sob condições de operação variáveis com o objetivo de se determinar um conjunto de condições de operação ótimo para a produção de materiais para aplicação em engenharia de tecidos duros, com base nas suas propriedades morfológicas e mecânicas. A pressão e tempo de contato constantes (20 MPa e 2h respetivamente) foi testada uma variação de 100 kg.m-3 e 2 Pa.s na densidade e viscosidade, respetivamente, do scCO2, por variação da temperatura de operação, utilizando como temperatura de operação 35, 40, 45 e 50ºC. Foram testadas, igualmente, duas taxas de despressurização, de 1 MPa e 0.3 MPa. Operando a uma temperatura de 40ºC com uma taxa de despressurização de 0.3 e a uma temperatura de 45ºC com uma taxa de despressurização de 1 MPa foram obtidos biomateriais com propriedades morfológicas semelhantes (diâmetro médio de poro BET de 0.5 ± 0.0 e 0.6 ± 0.0 μm respetivamente, no entanto o primeiro conjunto de condições de operação originaram biomateriais com propriedades mecânicas melhoradas (módulo de Young de 32.6 ± 3.0 MPa comparando com 23.9 ± 1.2 MPa). O primeiro conjunto de condições de operação revelou-se como o ótimo, de forma a que os resultados obtidos neste trabalho possam ser comparados com os resultados obtidos em trabalhos anteriores. Na terceira etapa foram produzidos por SFM biomateriais compósitos porosos de PCL/SBA- 15 (20 e 30 wt. %) sob as condições de operação ótimas definas na etapa anterior. Estes biomateriais compósitos foram também aditivados com aditivos líquidos verdes e seguros, que é esperado que atuem como agentes porogénicos, plastificantes e compatibilizantes, como glicofurol (GF), um hidrótopo aprovado pela FDA e Trihexyl(tetradecyl) phosphonium bis (trifluoromethylsulfonyl)imide (TTPB), um líquido iónico não tóxico, numa composição molar de 98 % relativa à PCL e em mistura, em três proporções molares (GF:TTPB) de 2:1, 3:1 e 5:1. Os efeitos do inorgânico e dos aditivos foram avaliados com microscopia eletrónica de varrimento (SEM-EDS), intrusão de mercúrio, adsorção de azoto, picnometria de hélio, análise térmica diferencial simultânea (SDT), difração de raio-X (XRD) e com teste de compressão. Através da análise macroscópica e microscópica (SEM) dos biomateriais produzidos, 30 wt. % revelou-se como uma concentração de inorgânico muito elevada. Os resultados obtidos através de SEM-EDS confirmaram a presença dos aditivos líquidos e do enchimento inorgânico, bem como o seu efeito porogénico, quando comparado com amostras sem enchimento e não aditivadas. A partir de intrusão de mercúrio confirmou-se o forte efeito porogénico do TTPB com um aumento na porosidade desde 28.5 ± 1.1 para 41.2 ± 0.2 %. A partir de adsorção de azoto verificou-se um aumento na área de superfície BET quando uma mistura dos dois aditivos numa proporção molar de 2:1 foi incorporada, desde 0.8 ± 0.1 para 2.3 ± 0.4 m2.g-1. Picnometria de hélio confirmou um aumento feral da densidade real dos biomateriais compósitos porosos produzidos quando SBA-15 (20 wt. %) foi incorporada. Observou-se uma diminuição na temperatura de fusão quando os aditivos foram incorporados (desde 66.1 ± 0.1 to 60.1 ± 0.6ºC para GF e para 64.9 ± 0.9ºC no caso do TTPB). A incorporação de SBA-15 revelou-se como tendo pouco efeito na temperatura de fusão e na temperatura de degradação dos biomateriais produzidos. Observou-se que a cristalinidade dos biomateriais porosos aditivados produzidos, por SDT, diminui quando os aditivos líquidos são adicionados, mas por XRD, observou-se que a cristalinidade é ligeiramente alterada quando um simples aditivo é incorporado (diminuindo com GF e aumentado com TTPB), no entanto a mesma tendência, quando uma mistura dos dois aditivos foi incorporada, é observada pelas duas técnicas, diminuindo a cristalinidade da PCL. Com os testes de compressão, uma vez mais, um aumento na resistência à compressão foi verificado com a incorporação da SBA-15 (20 wt. %) desde 1.9 ± 0.4 para 7.8 ± 0.3 MPa. Em geral, verificou-se que a adição dos aditivos líquidos levou à formação de materiais mecanicamente mais frágeis e menos resistentes à compressão, como esperado. Na quarta etapa, foram produzidos dispositivos de fixação, utilizando moldes de aço inoxidável, de PCL pura e compósitos de PCL/SBA-15 (10 wt. %), para aplicação em engenharia de tecidos duros, por SFM a pressão constante (20 MPa), temperatura (40ºC), taxa de despressurização (2 MPa.min-1) e tempo de contato (2h). Estes dispositivos foram morfologicamente caracterizados utilizando SEM-EDS. Verificou-se uma redução no diâmetro médio de poro, por análise de imagem, desde 569.6 ± 0.5 para 209.5 ± 1.2 μm, para o dispositivo "pin" de fixação, quando se adicionou SBA-15 (10 wt. %). Mostrou-se que por SFM é possível produzir materiais com a forma desejada, tamanho e propriedades controladas, utilizando técnicas de larga escala, como por exemplo, acoplando a técnica de SFM a uma extrusora ou injetora. Com este trabalho fica demonstrado que com a técnica de SFM é possível obterem-se biomateriais porosos com propriedades físicas controladas de uma forma segura e amiga do ambiente, quando comparada com as técnicas convencionais, permitindo processar polímeros a baixas temperaturas. É demonstrado, igualmente, que é possível, então, possível incorporar no futuro, um composto bioativo, no qual tanto a PCL e/ou a SBA-15 podem atuar como veículos de entrega/libertação, o que melhoraria a atividade biológica dos biomateriais produzidos. Adicionando SBA-15 revela-se como uma boa abordagem, com elevado potencial para aplicações em engenharia de tecidos duros. Fica provado que incorporando TTPB a processabilidade do polímero fica facilitada e adicionando GF a morfologia dos biomateriais porosos, como tamanho médio de poro podem ser controladas. Biomateriais compósitos porosos, como os produzidos neste trabalho, podem ser utilizados no tipo de aplicações proposto através da sua incorporação em materiais de enchimento de defeitos dentários/ósseos (cimentos, hidrogéis, etc.). Com a técnica de SFM é possível produzir materiais com forma, tamanho e propriedades físicas controladas, utilizando moldes, o que aumenta largamente o potencial económico deste tipo de processamento.