Chitosan scaffolds with cork-derivatives to promote bone tissue regeneration | Estruturas de quitosana com derivados de cortiça para promover a regeneração de tecido ósseo

Bone is a key structure in the human body, essential for support and many other functions. Unfortunately, various bone diseases that reduce bone density can lead to fractures and mobility issues. This has led to growing research in bone regeneration, focusing on the development of scaffolds, temporary artificial three-dimensional biomaterial structures that provide a specific environment and architecture for bone growth and development. Natural polymers like chitosan have similar properties to the organic components of bone extracellular matrix, with exceptional properties including biodegradability, non-toxicity, antimicrobial, nonimmunogenic, mucoadhesive, ease of modification, and osteoconductivity. Hydroxyapatite is one of the main components of the bone matrix, being a biodegradable material, biocompatible, non-toxic, non-immunogenic agent, osteoconductive, and has a high specific surface area. And cork, due to its unique 3D structure, is a promising material to be used as template agent for bone scaffolds. Chitosan/hydroxyapatite composites are well-studied for bone regeneration, while cork biochar combined with natural polymers and calcium phosphates shows promise for biomedical applications but remains in early research stages. Given that, this work focused on developing a new scaffold for bone tissue engineering combining cork-derived hydroxyapatite filler with chitosan prepared by freeze-drying. Cork pyrolyzed at 500 °C was successfully converted to calcium carbonate using calcium acetate impregnation. The best results obtained from the optimization of hydroxyapatite synthesis using commercial reagents using the precipitation method at 100 °C for 16 h, producing a mixture of 53% hydroxyapatite and 47% calcium carbonate, confirmed by X-ray diffraction analysis. Using the same conditions (100 °C, 16 h), cork-derived hydroxyapatite was also obtained from cork-derived calcium carbonate. Five porous structures were prepared: one with 2.5% (m/v) chitosan and four others with different fillers, including cork-derived calcium carbonate, cork-derived hydroxyapatite, optimized HA, and a mix of commercial HA with cork-derived calcium carbonate. Overall, the scaffolds presented interconnected pores ranging from 100 to 700 μm, with some around 2000 μm. Cork-derived hydroxyapatite scaffolds had the highest proportion of pores under 100 μm. They also presented high porosities between 88 and 98%, swelling capacities over 600% suggesting hydrophilicity, and biocompatibilities above 85%. However, the mechanical properties were well below real bone capacity, with compressive modulus between 0.58 and 2.18 MPa and compressive strengths in the range of 0.09-0.19 MPa, where the material with cork-derived hydroxyapatite presented the highest mechanical properties, doubling the values of the material composed of just chitosan, The cork-derived hydroxyapatite construct showed favorable properties to bone tissue engineering compared to the chitosan material, while exhibiting significantly better mechanical properties and maintaining strong cell viability. These promising results open new avenues for further exploration of potential applications for these materials.

O osso é uma estrutura fundamental do corpo humano, essencial para o suporte e muitas outras funções. Infelizmente, várias doenças ósseas que reduzem a densidade óssea podem levar a fraturas e problemas de mobilidade. Isto tem impulsionado uma investigação significativa sobre a regeneração óssea, com particular enfoque no desenvolvimento de scaffolds—estruturas tridimensionais temporárias de biomateriais que criam um ambiente e arquitetura ideais para o crescimento ósseo. Polímeros naturais, como a quitosana possuem propriedades semelhantes à componente orgânica da matriz extracelular do osso, com propriedades excecionais como biodegradabilidade com produtos de degradação não tóxicos, propriedades antimicrobianas, não imunogénicas, mucoadesivas, analgésicas, facilidade de modificação, e osteocondutividade. A hidroxiapatite, um dos principais componentes da matriz óssea, é um material biodegradável, biocompatível, não tóxico, não-imunogénico e osteocondutivo, com uma elevada área de superfície específica. Já a cortiça, com a sua estrutura tridimensional única, revela potencial como agente modelador para scaffolds ósseos. Embora os compósitos de quitosana/hidroxiapatite estejam amplamente estudados para regeneração óssea, a combinação com biocarvão de cortiça apresenta um potencial a ser estudado para aplicações biomédicas. Este estudo teve como objetivo desenvolver um novo scaffold para a engenharia de tecidos ósseos, combinando hidroxiapatite derivada da cortiça com quitosana, preparado por liofilização. A cortiça pirolisada a 500 °C foi convertida com sucesso em carbonato de cálcio usando impregnação com acetato de cálcio. Os melhores resultados obtidos da otimização da síntese de hidroxiapatite com reagentes comerciais foram com o método de precipitação a 100 °C por 16 h, resultando numa mistura de 53% de hidroxiapatite e 47% de carbonato de cálcio, confirmada por análise de difração de raios-X. Usando as mesmas condições (100 °C por 16 h), também foi sintetizada hidroxiapatite a partir do carbonato de cálcio derivado da cortiça. Foram preparadas cinco estruturas porosas: uma com quitosana a 2,5% (m/v) e outras quatro com diferentes preenchimentos, incluindo carbonato de cálcio derivado da cortiça, hidroxiapatite derivada da cortiça, hidroxiapatite otimizada e uma mistura de hidroxiapatite comercial com carbonato de cálcio derivado da cortiça. No geral, os scaffolds apresentaram poros interligados com tamanhos variando de 100 a 700 μm, com alguns em torno de 2000 μm. Os scaffolds com hidroxiapatite derivada da cortiça têm a maior proporção de poros abaixo de 100 μm. Apresentaram também altas porosidades entre 88 e 98%, capacidades de inchaço acima de 600%, sugerindo hidrofilicidade, e biocompatibilidade acima de 85%. No entanto, as propriedades mecânicas ficaram abaixo da capacidade do osso, com módulo de compressão entre 0,58 e 2,18 MPa e forças de compressão na faixa de 0,09-0,19 MPa, sendo o material com hidroxiapatite derivada da cortiça, o que apresentou as propriedades mecânicas mais elevadas, duplicando os valores do material constituído apenas por quitosana. A utilização de hidroxiapatite derivada da cortiça mostrou propriedades favoráveis para a engenharia de tecidos ósseos em comparação com o material de quitosana, apresentando um desempenho mecânico significativamente melhor e mantendo a elevada viabilidade celular. Estes resultados promissores apoiam investigações futuras sobre potenciais aplicações destes materiais.

Mestrado em Engenharia Biomédica