Vidros bioativos clorados e dopados com cobalto em scaffolds poliméricos para regeneração óssea: desenvolvimento, caracterização e avaliação in vitro e in vivo

Abstract

Este estudo teve como objetivo principal investigar a síntese e caracterização dos vidros bioativos 45S5 e 58S visando à obtenção de materiais com maior bioatividade e desempenho estrutural. Adicionalmente, propôs-se a incorporação desses vidros em matrizes poliméricas eletrofiadas, com o intuito de desenvolver scaffolds bioativos com potencial aplicação na engenharia tecidual óssea. Para tanto, inicialmente foram obtidos seis vidros distintos por meio de variações na síntese sol-gel, incluindo a substituição de precursores nitratos por cloretos e a combinação dos métodos de calcinação e liofilização para a desidratação do gel. Os vidros produzidos foram caracterizados físico-quimicamente e avaliados quanto a bioatividade in vitro por meio do ensaio em fluido corporal simulado (SBF). Em seguida, esses vidros foram incorporados a uma blenda polimérica de ácido polilático (PLA) e polietileno glicol (PEG) e submetidos ao processo de eletrofiação, resultando em scaffolds. Os compósitos obtidos foram caracterizados físico-quimicamente e submetidos a ensaios in vitro, incluindo SBF e avaliação biológica utilizando células mesenquimais diferenciadas em osteoblastos. Por fim, o vidro que apresentou melhor desempenho biológico foi dopado com o íon terapêutico cobalto e incorporado a uma matriz de fibroína de seda metacrilada (silkMA). O compósito final foi caracterizado físico-quimicamente, in vitro e in vivo para análise da resposta biológica. As caracterizações físico-químicas demonstraram que os métodos de processamento influenciam diretamente a distribuição de unidades Q, enquanto os ensaios de bioatividade evidenciaram rápida formação de hidroxiapatita. Na blenda polimérica contendo vidros bioativos, as diferenças na atividade de fosfatase alcalina entre os grupos indicaram maior potencial osteogênico do vidro 45S5 em comparação às demais composições. Quanto ao compósito silkMA/BGCo, observou-se uma combinação favorável de resistência mecânica, citocompatibilidade e bioatividade, além de ação antibacteriana relevante contra Porphyromonas gingivalis. Em avaliação in vivo, o material apresentou baixa resposta inflamatória, embora sem evidência de mineralização óssea significativa. A associação dos novos vidros bioativos a matrizes poliméricas resultou em compósitos com propriedades estruturais e biológicas favoráveis. Entre os grupos avaliados, o compósito silkMA/BGCo apresentou o desempenho mais promissor, destacando-se como potencial biomaterial para aplicações em regeneração óssea.

This study aimed to investigate the synthesis and characterization of 45S5 and 58S bioactive glasses to obtain materials with enhanced bioactivity and structural performance. Additionally, the incorporation of these glasses into electrospun polymeric matrices was proposed to develop bioactive scaffolds with potential applications in bone tissue engineering. To this end, six distinct glasses were initially produced through variations in the sol–gel synthesis, including the replacement of nitrate precursors with chlorides and the combination of calcination and lyophilization methods for gel dehydration. The resulting glasses were physicochemically characterized and evaluated for their in vitro bioactivity using the simulated body fluid (SBF) assay. Subsequently, these glasses were incorporated into a blend of polylactic acid (PLA) and polyethylene glycol (PEG), processed by electrospinning to produce scaffolds. The obtained composites were physicochemically characterized and subjected to in vitro tests, including SBF immersion and biological evaluation using mesenchymal stem cells differentiated into osteoblasts. The physicochemical characterizations demonstrated that the processing methods directly influence the distribution of Q units, while the bioactivity assays revealed rapid hydroxyapatite formation. In the polymer blend containing bioactive glasses, differences in alkaline phosphatase activity among the groups indicated a higher osteogenic potential for the 45S5 glass compared to the other compositions. Regarding the silkMA/BGCo composite, a favorable combination of mechanical strength, cytocompatibility, and bioactivity was observed, along with relevant antibacterial activity against Porphyromonas gingivalis. In the in vivo evaluation, the material exhibited a low inflammatory response, although without evidence of significant bone mineralization. The incorporation of the new bioactive glasses into polymeric matrices resulted in composites with favorable structural and biological properties. Among the evaluated groups, the SilkMA/BGCo composite exhibited the most promising performance, standing out as a potential biomaterial for bone regeneration applications.