Advances using hydroxyapatite as a biomaterial in bone regeneration

Objectivo: A presente monografia tem como objectivo a análise e discussão de novas estratégias de preenchimento ósseo, utilizando como matriz-base a hidroxiapatite, que promovam um comportamento bioactivo e consequentemente a regeneração. Também englobará a comparação destas novas abordagens com abordagens mais convencionais. Pretende-se dar resposta a várias questões, tais como: quais os mediadores que promovem/participam na regeneração óssea, de que forma estes mediadores permitem a regeneração óssea, bem como as possíveis vantagens do uso de modelos tridimensionais com a forma exacta do defeito que se pretende reconstruir. Metodologia: Foi efectuada uma pesquisa bibliográfica do estado da arte, analisando estudos publicados nos últimos 5 anos de investigação de produtos em fase clínica de desenvolvimento e de novas metodologias ainda em fase pré-clinica (estudos in-vitro e in-vivo). A componente prática deste trabalho irá consistir na análise de materiais de preenchimento ósseo comerciais (ex: Cerabone®, Bio-Oss® and NuOss®), por Microscopia Electrónica de Varrimento, Difracção de Raios X, Espectroscopia de Energia Dispersiva e Área superficial especifica. Resultados: A caracterização dos biomateriais compostos por matriz óssea bovina inorgânica revelou que estas se trataram de matrizes ósseas com excesso de cálcio. As diferenças da razão molar Ca/P não foram significativas. As amostras revelaram diferenças quanto ao aspecto cristalino da superfície, uma vez que o Cerabone® apresentava aspecto cristalino relativamente aos restantes substitutos ósseos. Foi estabelecida uma relação entre o grau de cristalinidade com a temperatura de processamento. Relativamente a incorporação de biomoléculas em scaffolds de HA os resultados globais mostram que levam a melhor bioactividade e diferenciação osteogénica, melhorando a proliferação e diferenciação celular, estimulam a formação óssea mais rápida, com baixa taxa de reabsorção. Este último fato tem uma importância crucial, pois a reabsorção lenta mantém o volume levando a uma boa dimensão do novo osso. Conclusão: A incorporação de biomoléculas em matrizes ósseas osteocondutoras melhora o processo de osteogénese.Objective: This thesis aims at analyzing and discussing new strategies for bone filling, using hydroxyapatite as a template, which is able to promote a bioactive behavior and consequently regeneration. The new approaches using hydroxyapatite will be compared with the more conventional strategies. This thesis intends also to answer several questions such as: what are the mediators that promote/participate in bone regeneration, how these mediators allow bone regeneration, as well as the possible advantages of using three-dimensional models with the exact shape of the defect that needs to be filled. Methodology: A bibliographic search of the state of the art was performed, examining studies published in the last 5 years of research, products in clinical phase of development and new methodologies still in pre-clinical phase (in vitro and in vivo studies). The practical component of this thesis will consist in the analysis of commercial bone filling hydroxyapatite material (eg, Bio-Oss ®) by Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), X-Ray Diffraction (XRD) and Specific surface area. Results: The characterization of biomaterials composed of bovine bone inorganic matrix revealed that those are bony matrix with excess of calcium. The differences in the molar ratio Ca / P were not significant. The samples showed differences in the crystalline surface appearance, since Cerabone® presented a crystalline appearance comparatively to the remaining bone substitutes. A relationship between the degree of crystallinity and the processing temperature has been established. The overall results showed that the incorporation of biomolecules in HA scaffolds lead to better bioactivity and osteogenic differentiation by improving cell proliferation and differentiation which stimulates faster bone formation with low rate resorption. This last fact has a crucial importance because the slow resorption keeps the volume leading to a good dimension of the new bone. Conclusion: The incorporation of biomolecules in bone osteoconductive matrix improves the process of osteogenesi