In vitro mineralization of anionic collagen matrices

A reconstrução de defeitos ósseos é um problema que afeta milhões de pessoas, que a medicina tenta resolver. Uma alternativa para a solução deste problema tem sido o desenvolvimento de biomateriais que atuem no processo de reparação óssea. O colágeno é um polímero de origem natural capaz de promover cicatrização e regeneração óssea e juntamente com a hidroxiapatita são os principais componentes encontrados no tecido ósseo. Vários trabalhos têm sido reportados com matrizes mineralizadas de colágeno tipo I em diferentes formas como em géis, membranas e esponjas, mas a mineralização in vitro de matrizes acelulares obtidas de tecidos biológicos sem a perda da estrutura colagênica não tem sido descrito. Este trabalho teve como objetivo a mineralização in vitro e a caracterização de matrizes de colágeno aniônico obtidas de pele porcina, pericárdio bovino e serosa porcina. Os tecidos foram tratados em temperatura ambiente com solução alcalina por períodos variáveis de 0 à 96h e mineralizados pelo processo de imersão alternada. Os materiais obtidos foram caracterizados pela avaliação preliminar da citotoxicidade in vitro, termogravimetria (TG/DTG), calorimetria exploratória diferencial (DSC), microscopia eletrônica de varredura (MEV), dispersão de raios X (EDS), difração de raios X (DRX) e absorção no infravermelho (FT-IR). Não foi observada citotoxicidade em nenhuma das matrizes avaliadas, contudo foi necessário um pré-tratamento nas matrizes de pele porcina para remoção de gordura. Os resultados de DSC mostraram a integridade da matriz colagênica após o tratamento alcalino. O aumento no tempo desse tratamento diminui a temperatura de desnaturação sendo observado um efeito maior nas matrizes de pele porcina seguidas por pericárdio bovino e serosa porcina. A mineralização induz a um aumento na temperatura de desnaturação em todos os casos. As curvas TG apresentaram perdas de massa relacionadas à água presente no material, decomposição da proteína e carbonização do material orgânico e um resíduo após 750 °C que foi associado ao material inorgânico presente na forma de hidroxiapatita, sendo as matrizes de serosa porcina as de maior teor de mineralização. As matrizes mineralizadas tendem a um aumento na estabilidade térmica do colágeno quando comparadas com as matrizes hidrolisadas. Os espectros FT-IR mostraram a presença de íons fosfatos e a interação de íons cálcio com o colágeno. As relações Ca/P obtidas por EDS foram aquelas esperadas em comparação com o valor teórico para hidroxiapatita (HA) e resultados de DRX confirmaram a obtenção de HA amorfa como principal produto de mineralização. Pelas fotomicrografias obtidas por MEV pôde-se observar que as fibras de colágeno tornam-se mais desestruturadas quando há um aumento no tempo de hidrolise e que a deposição de sais ocorreu de forma heterogênea, disposta em aglomerados esféricos no formato de agulhas por toda a superfície e interior, exceto para matrizes derivadas de pele porcina que não são mineralizadas internamente devido a sua espessura. Os resultados obtidos demonstraram que é possível a mineralização in vitro de matrizes de colágeno tipo I obtidas de diferentes tecidos biológicos em diferentes tempos de hidrólise, produzindo um material com potencial de uso para regeneração óssea.The reconstruction of osseous defects is still a problem that affects millions of people and medicine tries to solve it. One alternative to solve these problems has been the development of biomaterials that can be used as inductors in the osseous repair process. Collagen is a natural polymer able to promote healing and bone regeneration, and among hydroxyapatite (HA) is the main component found in bone tissue. Several mineralized collagen scaffolds are described in literature, in the form of gel, membranes and films, however, in vitro mineralization of acellular matrices, obtained from biological tissues without the loss of collagenic structure, has not been reported. The objective of this work was the mineralization and characterization of anionic collagen matrices obtained from porcine skin, bovine pericardium and porcine serosa. Biological tissues were treated at room temperature for 0-96h in alkaline solution and mineralized by alternate soaking method. Materials were characterized by preliminary assay of in vitro cytotoxicity, differential scanning calorimetry (DSC), termogravimetric analysis (TG/DTG), scanning electronic microscopy (SEM), energy dispersive x-ray analysis (EDS), x-ray diffraction (XRD), and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). No cytotoxicity was observed in any of the evaluated matrices; however, a pre-treatment of porcine skin matrices, for fat removal, was necessary. DSC results showed the integrity of collagen matrices after alkaline treatment. Denaturation temperature is dependent of time of alkaline treatment, and this effect is greater for porcine skin matrix, followed by bovine pericardium and porcine serosa. TG/DTG curves showed weight losses associated with release of water, degradation of protein structure and combustion of residual organic components. Residues were obtained at 750°C and associated to hydroxyapatite, being porcine serosa matrix the most mineralized. All mineralized matrices showed an increase in collagen thermal stability when compared to hydrolyzed matrices. FTIR spectra showed the presence of phosphate ions and the interaction of calcium ions with collagen. Ca/P ratios obtained by EDS were as expected when compared with literature values for HA, and RDX results confirmed amorphous HA as the main mineralization product. MEV analysis showed that collagen fibers were more affected for longer hydrolysis times, and that salt deposition was heterogeneous, with crystals grouped in spherical agglomerates in a needle-like shape throughout surface and inner, except for porcine skin derived matrices that were not internally mineralized due their width. Obtained results demonstrated that in vitro mineralization of type I collagen matrices, using different sources of biological tissues and hydrolysis time was possible, producing a material with potential to be used in bone regeneration