Physicochemical and biological characterization of bioactive glass/zirconia bone substitute manufactured by the replica method

Abstract

O presente estudo apresenta uma rota para obtenção de arcabouços (scaffolds) compostos de vidro bioativo e zircônia para reparo ósseo, utilizando o método da réplica com esponjas de poliuretano (45, 60 e 80 ppi) como modelo. Os arcabouços são estruturas sintéticas ou naturais altamente porosas utilizadas no processo de cicatrização tecidual. Os materiais com propriedades bioativas, como o vidro bioativo 58S, são cada vez mais estudados e empregados para a confecção de arcabouços sintéticos. Um dos problemas com esses vidros bioativos é a sua baixa resistência mecânica, geralmente insuficiente durante o período de reparo ósseo. Dependendo da rota de obtenção, a resistência à compressão de arcabouços de vidro bioativo não superam 0,05 MPa. Desta forma, o objetivo principal deste estudo foi produzir arcabouços à base de vidro bioativo 58S e zircônia, utilizando o método da réplica. Para tal, foram obtidas estruturas porosas pré-sinterizadas (com struts ainda não completamente densificados) de zircônia que passaram por uma infiltração a vácuo com vidro bioativo 58S em estado sol-gel e só então foram sinterizadas a 1500 °C, formando assim uma estrutura que pode ser descrita como uma matriz de BG58S com partículas dispersas de zircônia. Seguidamente, os arcabouços de zircônia/BG foram recobertos com uma nova camada vidro bioativo (58S) em estado sol-gel e levado ao forno a 600 °C para sua consolidação. Arcabouços que não receberam o recobrimento após a sinterização também foram estudados a fim de conferir as propriedades bioativas resultantes do processo a elevadas temperaturas, bem como arcabouços compostos somente de zircônia para fins de comparação. Os resultados mostraram que a resistência à compressão dos scaffolds compostos pela combinação de BG e zircônia é similar às amostras de zircônia. Os ensaios in vitro mostraram a formação de HCAp nas amostras contendo BG58S, com maior intensidade na amostra onde o 58S foi tratado a 600 °C e, como esperado, menor nas amostras onde o vidro bioativo foi levado a altas temperaturas sem posterior recobrimento , o que mostra que as amostras mantiveram suas propriedades bioativas. Os testes de citocompatibilidade revelaram uma alta viabilidade celular em torno de 90% para scaffolds com infiltrações de BG58S. A infiltração nas estruturas pré-sinterizadas resulta em uma matriz de BG58S e a presença do vidro bioativo não influencia a resistência mecânica das estruturas. O tratamento térmico a 1500 °C não inibe totalmente a bioatividade desse material, mas a prejudica, o que faz com que as amostras que receberam o segundo recobrimento com BG58S sejam as mais bioativas.<br>

Abstract : The present study shows a manufacturing route of bioactive glass and zirconia scaffolds for bone repair, using the replica method with polyurethane sponges (45, 60 and 80 ppi) as a template. Scaffolds are highly porous synthetic or natural structures used for human tissue healing. Materials with bioactive properties, such as 58S bioactive glass, are increasingly being studied for scaffolds. One of the problems with these bioactive glasses is their poor mechanical strength, often not enough for applications in bone regeneration. Depending on the manufacturing method, the compressive strength of bioglass scaffolds do not achieve 0.05 MPa. Thus, the main objective of this study was to produce scaffolds based on 58S bioactive glass and zirconia, using the replica method. Scaffolds were obtained by pre-sintered porous structures of zirconia (with struts not yet completely densified) that underwent infiltration by sol-gel 58S bioactive glass under vacuum atmosphere and then sintered at 1500 °C. This process resulted in a structure which can be described as a BG58S matrix with dispersed zirconia particles. Afterwards, the zirconia/BG scaffolds were coated with a new layer of sol-gel BG58S and then submitted to a heat treatment at 600 °C for its consolidation. Scaffolds that did not receive the coating after sintering were also studied in order to check their bioactive properties resulted from the process at high temperatures. Both described scaffolds types were compared against structures composed only of zirconia, acting as reference material. Results revealed that there was no significant difference in compressive strength between BG58S/ zirconia and zirconia scaffolds. The in vitro assays showed the formation of HCAp in both samples containing BG58S, with higher intensity in the scaffold which the BG58S was treated at 600 °C and, as expected, lower in the samples where the bioactive glass was brought to high temperatures without further coating, which evidences remaining bioactive properties . Cytocompatibility assays showed a cell viability at around 90% for BG58S/zirconia scaffolds. The BG58S infiltration on the pre-sintered scaffolds results in a glassy matrix and its presence does not influence the mechanical strength of the structure. Although after the heat treatment at 1500 °C the bioactivity of BG58S is still present, it is not the same, which makes the samples that received the final coating with BG58S the most bioactive.