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Authors
Fradique, Ricardo Gil
Advisor(s)
Abstract(s)
The aging of the worldwide population has led to an increase in bone tissue diseases. Wether
due to trauma or pathology, if the bone tissue is compromised it constitutes a serious threat
to the well being of the individual. Current solutions for bone defects involve the use of bone
grafts, particularly autografts. However, these present serious limitations for their use, such
as limited availability, or the possibility of chronic pain, and may not allow the patient’s full
recovery. In this context, Tissue Engineering emerged as a potential solution, since it uses biomaterials
and bioactive molecules to develop devices that allow the repair or regeneration of
bone tissue. One of the most researched approaches are scaffolds, that are three dimensional
matrices, aimed to act as temporary templates for cell adhesion and proliferation, offering
mechanical support while the bone tissue regenerates. A particularly promising approach uses
rapid prototyping technology to produce 3D scaffolds with highly controlled structure, either
from CAD models, or routine exam medical data. The present study describes the physicochemical,
mechanical and biological characterization of 3D β-TCP/Alginate scaffold, produced by
rapid prototyping. Fourier Transform Infrared Spectroscopy, X-Ray Diffraction, Contact Angle,
and Scanning Electron Microscopy were used to characterize the porosity, surface hydrophilic
character and chemical composition of the produced scaffolds. In addition, the mechanical
stability (Compressive Strength and Young’s Modulus) was also evaluated. The biocompatibility
of the scaffolds was evaluated by in vitro MTS assays, using human osteoblasts as model
cells. The results obtained showed that the produced scaffolds present excellent biological and
physicochemical properties, allowing for the adhesion and proliferation of human osteoblasts.
Moreover, the produced scaffolds presented remarkable mechanical strength, matching or surpassing
the properties of native trabecular bone, which is fundamental for their potential use
in the regeneration of bone tissue.
O envelhecimento da população mundial tem associado o aumento do número de casos de doenças ou defeitos ósseos. Estas situações patológicas, que têm diferentes causas, afetam a mobilidade e a qualidade de vida do indivíduo. Os tratamentos actuais contemplam a utilização de enxertos ósseos, que na sua maioria são autoenxertos. No entanto, estes apresentam algumas limitações, como seja o estado de saúde do paciente que limita a obtenção do enxerto, a extensão da lesão óssea, e ainda a possibilidade de inflingir um maior sofrimento no doente. Este tipo de enxertos nem sempre permitem uma completa recuperação. Neste contexto, surge a Engenharia de Tecidos como área interdisciplinar que utiliza biomateriais e moléculas bioactivas para desenvolver dispositivos que permitam efectuar a reparação ou substituição do tecido ósseo. Uma das abordagens mais utilizadas envolve a produção de “scaffolds”, que são matrizes tridimensionais, que tomam papel de molde temporário para a adesão e proliferação celulares, fornecendo suporte mecânico durante a regeneração óssea. Uma abordagem particularmente promissora utiliza a tecnologia de prototipagem rápida para produzir “scaffolds” com estrutura detalhada, utilizado modelos computacionais ou dados provenientes de exames médicos de rotina. O presente estudo descreve a caracterização fisicoquímica, mecânica e biológica de “scaffolds” tridimensionais produzidos com β-Tricalciofosfato/Alginato, utilizando prototipagem rápida. A Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier, Difracção de Raio-X, Ângulo de Contacto e Microscopia Electrónica de Varrimento foram usadas na caracterização da estabilidade mecânica, superfície e porosidade dos “scaffolds” produzidos. O perfil citotóxico dos “scaffolds” foi estudado através de ensaios de MTS in vitro, utilizando osteoblastos humanos como células modelo. Os resultados obtidos demonstraram que os “scaffolds” produzidos apresentam óptimas propriedades biológicas e fisicoquímicas, suportando a adesão e proliferação celulares. Os materiais produzidos demonstraram possuir excelente resistência mecânica, igualando ou excedendo as propriedades do osso trabecular, demonstrando o seu potêncial para serem usados na regeneração de tecido ósseo.
O envelhecimento da população mundial tem associado o aumento do número de casos de doenças ou defeitos ósseos. Estas situações patológicas, que têm diferentes causas, afetam a mobilidade e a qualidade de vida do indivíduo. Os tratamentos actuais contemplam a utilização de enxertos ósseos, que na sua maioria são autoenxertos. No entanto, estes apresentam algumas limitações, como seja o estado de saúde do paciente que limita a obtenção do enxerto, a extensão da lesão óssea, e ainda a possibilidade de inflingir um maior sofrimento no doente. Este tipo de enxertos nem sempre permitem uma completa recuperação. Neste contexto, surge a Engenharia de Tecidos como área interdisciplinar que utiliza biomateriais e moléculas bioactivas para desenvolver dispositivos que permitam efectuar a reparação ou substituição do tecido ósseo. Uma das abordagens mais utilizadas envolve a produção de “scaffolds”, que são matrizes tridimensionais, que tomam papel de molde temporário para a adesão e proliferação celulares, fornecendo suporte mecânico durante a regeneração óssea. Uma abordagem particularmente promissora utiliza a tecnologia de prototipagem rápida para produzir “scaffolds” com estrutura detalhada, utilizado modelos computacionais ou dados provenientes de exames médicos de rotina. O presente estudo descreve a caracterização fisicoquímica, mecânica e biológica de “scaffolds” tridimensionais produzidos com β-Tricalciofosfato/Alginato, utilizando prototipagem rápida. A Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier, Difracção de Raio-X, Ângulo de Contacto e Microscopia Electrónica de Varrimento foram usadas na caracterização da estabilidade mecânica, superfície e porosidade dos “scaffolds” produzidos. O perfil citotóxico dos “scaffolds” foi estudado através de ensaios de MTS in vitro, utilizando osteoblastos humanos como células modelo. Os resultados obtidos demonstraram que os “scaffolds” produzidos apresentam óptimas propriedades biológicas e fisicoquímicas, suportando a adesão e proliferação celulares. Os materiais produzidos demonstraram possuir excelente resistência mecânica, igualando ou excedendo as propriedades do osso trabecular, demonstrando o seu potêncial para serem usados na regeneração de tecido ósseo.
Description
Keywords
Scaffolds ß-Tricalciofosfato/Alginato Desenho Assistido por Computador PVA Prototipagem Rápida Engenharia de Tecidos