Synthesis and characterization of hybrid biopolymer membranes containing apatites and silver nanoparticles

Materiais bioativos têm a capacidade de interagir com tecidos naturais, provocando reações que favorecem o desenvolvimento de processos como fixação e biodegradação do material implantado, além de regeneração de tecidos. Dessa forma, o objetivo deste trabalho está relacionado ao desenvolvimento de novos biomateriais, os quais foram obtidos a partir de combinações de fases orgânicas e inorgânicas em escala nanométrica, resultando em propriedades aprimoradas, como bioatividade, hidrofilicidade, resistência mecânica e biodegradabilidade. Foram sintetizadas e caracterizadas membranas autossuportadas constituídas por blendas biopoliméricas reforçadas com fosfato de cálcio. Essas blendas foram preparadas a partir da mistura, nas proporções 2,5:2,5 e 3,5:1,5 % (p/v), entre colágeno hidrolisado e polissacarídeos, como quitosana e -carragenana devido as suas notáveis propriedades e a sua semelhança com constituintes da matriz extracelular óssea nativa. A incorporação da fase inorgânica composta por fosfato de cálcio na matriz orgânica se deu por meio de três metodologias diferentes: (1) Precipitação in locu nos interstícios da matriz biopolimérica; (2) Adição das nanopartículas previamente sintetizadas; (3) Adição de hidroxiapatita bovina na matriz biopolimérica. A partir dos resultados obtidos por meio da microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia vibracional na região do infravermelho (FTIR) e difração de raios X (DRX), observou-se que as membranas híbridas formados a partir da metodologia (1), resultaram em deposição homogênea e continua de HAp por toda a matriz biopolimérica. Como consequência, o módulo de Young desses materiais híbridos foi o maior em relação aos valores obtidos para as suas respectivas matrizes biopoliméricas na ausência do mineral, como indicado pelo aumento do módulo de Young até 130% para membranas compostas por quitosana e até 115% para as membranas contendo -carragenana. Verificou-se que a redução da concentração de polissacarídeo na composição das blendas, afeta significativamente o módulo de Young e a taxa de degradação das membranas híbridas em solução salina tamponada de fosfato (PBS, do inglês phosphate buffered saline) a 37°C. Além disso, foi observado que as membranas compostas por quitosana apresentam menor taxa de degradação quando comparadas as membranas híbridas compostos por -carragenana. A incorporação da fase mineral resultou em aumento da hidrofilicidade e energia livre de superfície. A exposição das membranas híbridas ao fluido corporal simulado (SBF, do inglês Simulated body fluid) resultou na deposição de uma camada de fosfato de cálcio sobre a superfície das amostras. A resposta biológica dessas membranas foi avaliada por cultura de osteoblastos, indicando que os materiais contendo quitosana não são tóxicos. No entanto, o mesmo não foi observado para amostras contendo -carragenana, pois essas membranas, devido a elevada taxa de degradação, apresentam baixa estabilidade e integridade no meio de cultura celular. Nanopartículas de prata (NpAg), com tamanho variando de 3-9 nm, foram sintetizadas e incorporadas nas membranas híbridas obtidas pela metodologia 1. Após essa adição, observou-se uma ação antibacteriana contra as bactérias Escherichia coli, Staphylococcus aureus e Pseudomonas aeruginosa. Esses resultados indicam que as membranas híbridas obtidas neste trabalho podem, potencialmente, ser usadas como membranas de regeneração tecidual guiada temporária em defeitos ósseosBioactive materials present the ability to interact with natural tissues, causing reactions that favor the development of processes such as implant and biodegradation of implanted material, as well as tissue regeneration Thus, the objective of this study is to the develop new biomaterials combining organic and inorganic phases at the nanoscale resulting in improved properties such as bioactivity, hydrophilicity, mechanical strength and biodegradation. Herein, hybrid self-supported membranes formed by polymer blends and reinforced with calcium phosphate were synthesized and characterized. These blends were prepared from the combination, in the proportions 2,5 : 2.5 and 3,5 : 1,5 wt%, between hydrolyzed collagen and polysaccharides, such as chitosan and -carrageenan due to its remarkable properties and its similarity to the constituents of the native extracellular matrix. The incorporation of the inorganic phase consisting of calcium phosphate in the organic matrix was performed using three different methodologies: (1) Precipitation in locus in the interstices of the polymer matrix; (2) Addition of previously synthesized nanoparticles; (3) Addition of bovine hydroxyapatite in polymeric matrix. From the results obtained by scanning electron microscopy (SEM), infrared vibration spectroscopy (FTIR) and X-ray diffraction (XRD), it was observed that the hybrid systems formed from the methodology (1) resulted in a homogeneous and continuous deposition of HAp throughout the biopolymer matrix. As a consequence, the Young\'s modulus of these hybrid materials was the higher in relation to the values obtained for the biopolymer matrices in the absence of the mineral, as indicated by the increase of the Young\'s modulus up to 130% for membranes composed by chitosan and up to 115% for the membranes containing -carrageenan. It was noted that the reduction of the polysaccharide concentration in the blends composition significantly affects the Young\'s modulus and the rate of degradation of the hybrid systems in phosphate buffered saline (PBS) at 37 °C. In addition, it was observed that membranes composed of chitosan have a lower degradation rate compared to hybrid membranes composed of -carrageenan. The incorporation of the mineral phase resulted in increased hydrophilicity and surface free energy. Exposure of hybrid membranes to simulated body fluid (SBF) resulted in the deposition of a layer of calcium phosphate under the surface of the samples. The biological response of these membranes was assessed by culturing osteoblasts, indicating that chitosan-containing systems are non-toxic. However, the same was not observed for samples containing carrageenan, because these membranes, due to the high degradation rate, present low stability and integrity in the cell culture medium. Silver nanoparticles (NpAg), ranging in size from 3-9 nm, were synthesized and incorporated into the hybrid membranes obtained by methodology 1. After this addition, an antibacterial action against the bacteria Escherichia coli, Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa was observed. These results indicate that the hybrid membranes obtained in this study can potentially be used as membranes for temporary guided tissue regeneration in bone defects