Vidro bioativo associado com polímero e funcionalizado com fibra de carbono: desenvolvimento e interações biológicas in vitro e in vivo

Abstract

Devido as limitações obtenção de um enxerto autógeno, biomateriais sintéticos aloplásticos vem sendo desenvolvidos para promover regeneração óssea. O biovidro 45S5 Bioglass® é amplamente utilizado em tratamentos de defeitos ósseos, mas possui um alto custo no Brasil. Com intuito de melhorar as propriedades do vidro bioativo, polímeros e outros íons são frequentemente adicionados. O objetivo deste estudo foi analisar a caracterização do biomaterial e suas interações in vitro e in vivo para avaliar seu potencial como enxerto ósseo sintético. Para isso, foram obtidos dois grupos experimentais: vidro bioativo funcionalizado com polímero (B+P) e vidro bioativo funcionalizado com polímero associado com fibra de carbono (B+P+F). A síntese de todos os vidros foi realizada por meio de fusão, seguida da caracterização. Suas propriedades morfológicas e químicas foram avaliadas por microscopia eletrônica de varredura/MEV, espectroscopia de energia dispersiva/EDS e espectroscopia de fotoelétrons de raio-X de ultra-eixo de Kratos (XPS). Os biomateriais foram submetidos aos testes in vitro e in vivo. Para o estudo in vitro, foram obtidas células da medula óssea dos fêmures de ratos, as quais foram isoladas e plaqueadas com os biomateriais para avaliação da citotoxicidade, conteúdo de proteína total (PT) e atividade de fosfatase alcalina (ALP). No estudo in vivo, foi avaliada a resposta inflamatória nos períodos de 7 e 14 dias. Para isso, os materiais foram implantados no tecido subcutâneo de 42 ratos Wistar, divididos em 3 grupos experimentais (n=7), Grupo Sham: Ferida cirúrgica sem inserção de biomaterial (zona de pseudo operação); grupo B+P e grupo B+P+F. A toxicidade foi avaliada em órgãos como: coração, baço, fígado e rim. A avaliação da reparação óssea foi realizada em 36 ratos Wistar, nos períodos de 15 e 60 dias, divididos em 3 grupos (n=6), C, B+P e B+P+F, os quais foram submetidos à confecção de um defeito ósseo críticos de 3 mm, nas tíbias direita e esquerda. Após a eutanásia, as peças foram submetidas às análises histológica, histomorfométrica e MicroCT. Os dados obtidos foram estatisticamente analisados pelo teste ANOVA um ou dois fatores, seguindo pelo teste de Tukey e teste T, com nível de significância adotado de 5%. A caracterização por MEV confirmou a incorporação de fibras de carbono ao vidro bioativo, além disso por meio da análise química XPS, foi possível observar os picos de selênio e de bório. Na análise in vitro observou que os grupos experimentais não foram citotóxicos, proporcionando um ambiente adequado para a atividade e diferenciação celular. No teste de conteúdo de proteína total o grupo B+P demonstrou alta atividade celular, entretanto os materiais experimentais não influenciaram a atividade de fosfatase alcalina. Na análise in vivo, não foram observadas alterações dos aspectos de normalidade nos órgãos, indicando que não houve sinais de toxicidade sistêmica aguda. Na análise histológica descritiva, todos os grupos em ambos os períodos demonstraram neoformação óssea na região do defeito crítico em 60 dias. Na micro-CT a análise estatística de comparações intergurpos demonstrou diferença estatística no parâmetro de superfície óssea/volume ósseo (bs.bv). Na análise histomorfométrica, os grupos não apresentaram diferença estatística. Conclui-se que o biomaterial é osteoindutor, porém novos estudos devem ser realizados para elucidar sua resistência mecânica e aperfeiçoar o processo de síntese do biomaterial.

Due to the limitations of obtaining autogenous grafts, synthetic alloplastic biomaterials have been developed to promote bone regeneration. Bioglass® 45S5 is widely used in the treatment of bone defects, though it is costly in Brazil. To enhance the properties of bioactive glass, polymers and other ions are often added. This study aimed to analyze the characterization of the biomaterial and its interactions in vitro and in vivo to assess its potential as a synthetic bone graft. Two experimental groups were created: bioactive glass functionalized with polymer (B+P) and bioactive glass functionalized with polymer and carbon fiber (B+P+F). All glasses were synthesized by melting, followed by characterization. Their morphological and chemical properties were assessed using scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive spectroscopy (EDS), and Kratos ultra-axis X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The biomaterials were tested in vitro and in vivo. For the in vitro study, bone marrow cells from rat femurs were obtained, isolated, and plated with the biomaterials to assess cytotoxicity, total protein (TP) content, and alkaline phosphatase (ALP) activity. In the in vivo study, the inflammatory response was evaluated at 7 and 14 days by implanting the materials in the subcutaneous tissue of 42 Wistar rats, divided into 3 experimental groups (n=7): Sham group (surgical wound without insertion of biomaterial), B+P group, and B+P+F group. Toxicity was assessed in organs such as the heart, spleen, liver, and kidney. Bone repair was evaluated in 36 Wistar rats, divided into 3 groups (n=6): C, B+P, and B+P+F, which underwent the creation of a 3mm critical bone defect in the right and left tibias. After euthanasia, the specimens were subjected to histological, histomorphometric, and MicroCT analysis. The data obtained were statistically analyzed using one- or two-factor ANOVA, followed by Tukey and T-tests, with a significance level of 5%. SEM characterization confirmed the incorporation of carbon fibers into the bioactive glass, and XPS chemical analysis revealed peaks for selenium and boron. In vitro analysis showed that the experimental groups were not cytotoxic, providing a suitable environment for cell activity and differentiation. In the total protein content test, the B+P group showed high cellular activity, though the experimental materials did not influence alkaline phosphatase activity. In the in vivo analysis, no alterations in the normal appearance of the organs were observed, indicating no signs of acute systemic toxicity. Descriptive histological analysis showed bone neoformation in the critical defect region in all groups after 60 days. In the micro-CT analysis, intergroup comparisons showed a statistically significant difference in the bone surface/bone volume parameter (bs.bv). However, histomorphometric analysis revealed no statistical differences between the groups. It is concluded that the biomaterial is osteoinductive, but further studies are necessary to elucidate its mechanical strength and improve the biomaterial synthesis process.