Desenvolvimento de hidrogel a partir de kappa-carragenana e goma guar contendo hidroxiapatita para aplicação em regeneração óssea

Abstract

O objetivo deste estudo foi avaliar as propriedades físico-químicas de hidrogéis preparados a partir de ?-carragenana (KC) e goma guar (GG) para adição de um fosfato de cálcio (CaP), selecionado através da avaliação do efeito da temperatura de tratamento térmico, pós síntese, nas propriedades do CaP. Assim, o trabalho foi dividido em quatro capítulos, sendo o primeiro uma introdução geral ao assunto, em que apresentamos o estado da arte dos mais avançados biomateriais presentes na literatura atual, com aplicação em regeneração óssea. O Capítulo II relata o estudo do tratamento térmico aplicado aos CaP sintetizados pelo método hidrotérmico e suas propriedades. Os CaP foram caracterizados, após tratamento térmico por 1h em sete diferentes temperaturas (25, 50, 100, 200, 400, 800 e 1000 °C), por meio de técnicas de caracterização estrutural, espectroscópica, morfológica e biológica. Os resultados das caracterizações indicaram mudanças na estrutura cristalina dos CaP por efeito da temperatura de tratamento térmico aplicada. Sendo a rede mais cristalina obtida com o tratamento a temperatura de 1000 °C e o estado menos cristalino, amorfo, em temperaturas menores que 400 °C. O estudo de viabilidade demonstrou que não só a cristalinidade do material, mas também a concentração (maior ou igual a 25 mg·mL-1) podem tornar o CaP tóxico às células. O Capítulo III, mostra o desenvolvimento de filmes a base de KC e GG em diferentes proporções, na presença e na ausência de reticulante (CaCl2), através da técnica de secagem de solvente. Os resultados das análises de FTIR, DSC, reologia, ângulo de contato, SD% e SEM indicaram efeito diminuto do reticulante nas propriedades das misturas de KC e GG. Todavia a presença de reticulante causa alterações nas interações intermoleculares entre os polímeros, provocando mudanças na Tg dessas misturas. No caso dos polímeros puros, KC e GG, o efeito foi antagônico. Enquanto que a KC é extremamente afetada pelo reticulante a GG é parcamente afetada. Esses resultados mostram que os hidrogéis produzidos pela mistura de KC e GG tem potencial para incorporação de CaP visando aplicação como arcabouço para regeneração óssea. Por fim o Capítulo IV apresenta resultados preliminares de ensaios de adesão e proliferação celular dos compósitos formados pela mistura de KC, GG, reticulante e CaP selecionado. Além disso, foram realizados testes de reticulação covalente utilizando epicloridrina (ECH), visando maior estabilidade estrutural dos hidrogéis em meio aquoso. Os sistemas reticulados com ECH apresentaram formação de redes tridimensionais mais estáveis, com modificação nas propriedades térmicas, mecânicas e de absorção de água, indicando sua viabilidade como estratégia complementar à reticulação iônica. Por fim, a composição mais promissora foi KC 0,25% (m/v), GG 0,75% (m/v), CaCl2 0,2 mol·L-1 (1% v/v), T800 2,5% (m/m de polímero) e ECH 2,5g/100g de solução, por reunir propriedades estruturais e biológicas adequadas à regeneração óssea.

Abstract: The objective of this study was to evaluate the physicochemical properties of hydrogels prepared from ?-carrageenan (KC) and guar gum (GG) for addition of a calcium phosphate (CaP), selected by evaluating the effect of temperature. heat treatment, post synthesis, on the properties of CaP. Thus, the work was divided into four chapters, the first being a general introduction to the subject, in which we present the state of the art of the most advanced biomaterials present in current literature, with applications in bone regeneration. Chapter II reports the study of the thermal treatment applied to CaP synthesized by the hydrothermal method and its properties. CaP were characterized, after heat treatment for 1h at seven different temperatures (25, 50, 100, 200, 400, 800 and 1000 °C), using structural, spectroscopic, morphological, and biological characterization techniques. The characterization results indicated considerable changes in the crystalline structure of CaP due to the heat treatment temperature applied. The most crystalline network was obtained with treatment at a temperature of 1000 °C and the less crystalline, amorphous state is obtained at temperatures lower than 400 °C. The feasibility study demonstrated that not only the crystallinity of the material, but also the concentration (greater than or equal to 25 mg·mL-1) can make CaP toxic to cells. Chapter III shows the development of films based on KC and GG in different proportions, in the presence and absence of crosslinker (CaCl2), through the solvent drying technique. The results of FTIR, DSC, rheology, contact angle, SD% and SEM analyzes indicated a small effect of the crosslinker on the properties of the KC and GG mixtures. However, the presence of a crosslinker causes changes in the intermolecular interactions between the polymers, causing changes in the Tg of these mixtures. In the case of the pure polymers, KC and GG, the effect was antagonistic. While KC is extremely affected by the crosslinker, GG is barely affected. These results show that the hydrogels produced by mixing KC and GG have the potential for incorporation of CaP aiming for application as a scaffold for bone regeneration. Finally, Chapter IV presents preliminary results of cell adhesion and proliferation assays on the composites prepared from the KC and GG mixture, crosslinker, and the selected CaP. Additionally, covalent crosslinking tests using epichlorohydrin (ECH) were carried out to improve the structural stability of the hydrogels in aqueous media. The systems crosslinked with ECH exhibited the formation of more stable three-dimensional networks, with changes in thermal, mechanical, and water absorption properties, indicating their viability as a complementary strategy to ionic crosslinking. Finally, the most promising composition was KC 0.25% (w/v), GG 0.75% (w/v), CaCl2 0.2 mol·L?¹ (1% v/v), T800 2.5% (w/w of polymer), and ECH 2.5 g/100 g of solution, as it combined structural and biological properties suitable for bone regeneration.