Development of chitosan and calcium phosphate based adhesives for bone regeneration

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaNas últimas décadas, o crescimento do número de problemas associados a distúrbios na coluna vertebral, conduziu à necessidade crescente no desenvolvimento de dispositivos inovadores capazes de acelerar o tratamento de defeitos ósseos. De salientar que estes distúrbios são em grande parte consequência do sedentarismo atual e da má alimentação, estando também relacionados com a osteoporose, com o envelhecimento e com o enfraquecimento dos ossos. Muitos destes dispositivos biomédicos são fabricados a partir de polímeros, que podem ser modificados (quimicamente e/ou fisicamente por reticulação) e processados de diversas maneiras. Dos polímeros naturais, o quitosano, extraído de carapaças de animais marinhos, tem sido amplamente utilizado dadas as suas excelentes propriedades, como a biodegradabilidade, a biocompatibilidade e a ausência de toxicidade. Este trabalho teve como propósito proceder à preparação e caracterização de biocompósitos à base de quitosano com a incorporação de fosfato de cálcio bifásico (BCP), para aplicação em cirurgias de fusão lombar posterolateral. Inicialmente procedeu-se à preparação biocompósitos de quitosano e outro biopolímero, os quais, após liofilização, eram submetidos a testes nos quais se avaliava qualitativamente a maleabilidade, a fragilidade (ou seja, se os biocompósitos eram, ou não, quebradiças) e a estabilidade em meio aquoso. Foram testadas diferentes formulações, onde se variaram tanto a natureza e quantidade do biopolímero a adicionar ao quitosano como o agente reticulante e a quantidade de fosfato de cálcio.Das várias membranas produzidas resultaram dois biocompósitos compostos por uma matriz orgânica (quitosano e alginato de sódio) e por uma matriz inorgânica (fosfato de cálcio bifásico) com boa maleabilidade, pouco quebradiços e estáveis. Tanto as proporções de quitosano como as de fosfatos de cálcio são diferentes nestas duas formulações: a formulação A7 é constituída por 2% de quitosano, 2% de alginato de sódio, 1% de ácido lático, 10% de fosfato de cálcio bifásico (BCP), 1% de glioxal e a formulação A20 por 3% de quitosano, 2% de alginato de sódio, 1% de ácido lático, 20% de BCP e 1% de genipin. Estas duas membranas foram objeto de caracterização mais pormenorizada, designadamente no que respeita à capacidade de absorção em PBS e perda de massa, estabilidade térmica através da análise termogravimétrica (TGA) e difração a raio-X (DRX). Adicionalmente, a superfície das membranas foi observada por microscopia eletrónica de varrimento (SEM). Por forma a complementar esta informação, determinaram-se os tamanhos de poros e a porosidade das membranas por porosimetria de intrusão de mercúrio (MIP). Os resultados obtidos demonstram que estes biocompósitos exibem potencial para poderem ser aplicados na fusão lombar.In recent decades, the growth of problems associated with spinal disorders led to be the development of new and innovative devices capable of accelerating the treatment of bone defects.The appearance of these devices opens up great possibilities to research fields, in particular, in the areas of biomedicine. For example, polymers can be applied for this purpose. Chitosan extracted from shells of marine animals is thoroughly investigated due to excellent properties such as biodegradability, biocompatibility and non-toxicity. The purpose of this work was to prepare and characterize biocomposites based on chitosan with biphasic calcium phosphate (BCP) incorporation, used for posterolateral lumbar fusion surgeries.Initially, several biocomposites obtained by lyophilization were prepared. They were subjected to qualitative tests, where malleability, brittleness (not brittle) and stability in aqueous medium were evaluated. At this stage, the other variation was studied, considering the proportions of the constituents, and in the choice of the biopolymer well the cross-linking agent to be used. From this study, resulted two biocomposites consisting of an organic matrix (chitosan and sodium alginate) and an inorganic matrix (biphasic calcium phosphate). Both chitosan and calcium phosphate ratios were different in these formulations as well as type of crosslinking (genipin and glyoxal). The biocomposite (A7) with 2% chitosan, 2% sodium alginate, 1% lactic acid, 10% calcium phosphate biphasic (BCP), 1% glyoxal remained for up to 12 days in aqueous medium, while the biocomposite with the formulation A20 (3% chitosan, 2% sodium alginate, 1% lactic acid, 20% biphasic calcium phosphate (BCP), 1% genipin) remained for more than 5 days. Considering with time these formulations and aiming to characterize them, the variation of the absorption capacity in a PBS solution and the loss of mass over time were studied. In addition, the surface of the membranes was studied by scanning electron microscopy (SEM). The pore sizes and the porosity of biocomposites were evalueated by mercury intrusion porosimetry (MIP). Then, the thermal stability was studied by thermogravimetric analysis (TGA) and the inorganics amounts present in the biocomposites by X-ray diffraction (XRD).In general, the results obtained demonstrated that there is a potential for the development of these biocomposites for the desired effect