Engineering polyvinyl alcohol-based hydrogels for load-bearing cartilage replacement

05/19/2022

A conceção de materiais para substituição da cartilagem articular (CA) coloca vários desafios devido à complexidade dos tecidos vivos envolvidos (cartilagem hialina e osso subcondral), as suas características inerentes e propriedades altamente exigentes. Os hidrogéis de álcool polivinílico (PVA) têm sido amplamente explorados para este fim devido à sua excelente biocompatibilidade, elevada estabilidade química, teor de água e baixo coeficiente de atrito. No entanto, as insuficientes propriedades mecânicas do PVA têm limitado a sua tradução clínica enquanto substituto artificial da CA. Esta tese visou desenvolver novos materiais reforçados à base de PVA com elevado potencial para serem utilizados na substituição do tecido de CA danificado. Os hidrogéis de PVA foram produzidos por cast-drying (CD) e freezing-thawing sob diversas condições de modo a avaliar o efeito da metodologia de preparação nas suas principais propriedades (morfologia, teor de água, capacidade de intumescimento, comportamento termotrópico, resposta mecânica, e desempenho tribológico). Verificou-se que o procedimento de preparação influencia criticamente as características e o desempenho dos hidrogéis de PVA. A estratégia de CD conduziu a materiais com propriedades muito mais próximas das da cartilagem natural. O efeito dos tratamentos de pós-processamento (recozimento, alta pressão hidrostática e radiação gama) no desempenho global dos hidrogéis de PVA obtidos por CD (isto é, na morfologia, teor de água, molhabilidade, propriedades mecânicas, e comportamento tribológico) também foi investigado. Foi ainda avaliada a possibilidade de o material mais promissor ser utilizado como veículo de entrega de medicamentos anti-inflamatórios (diclofenaco ou cetorolaco) a nível local. Finalmente, foram realizados testes para aceder à biocompatibilidade dos materiais. Com exceção da alta pressão hidrostática, os tratamentos conduziram a melhorias significativas nas propriedades dos materiais. Em particular, o procedimento de recozimento a 150ºC deu origem aos melhores resultados mecânicos e tribológicos, mas à custa de uma diminuição do teor de água. Ademais, o hidrogel recozido pôde ser carregado com os anti-inflamatórios para posterior libertação, sem induzir irritação ou citotoxicidade nos tecidos biológicos. Tentando encontrar um equilíbrio entre um elevado teor de água do material, essencial para assegurar a viabilidade celular e a viscoelasticidade, com as melhores propriedades mecânicas, foi explorada uma estratégia alternativa de reforço aos métodos de pós-processamento. As nanofibras de poli(p-fenileno-2,6-benzobisoxazol) (PBO) obtidas a partir de fibras comerciais de Zylon® de alto desempenho foram utilizadas pela primeira vez para reforçar hidrogéis de PVA. Diferentes concentrações de PBO foram incorporadas. Os materiais foram avaliados em relação à estrutura química, comportamento térmico, teor de água, capacidade de intumescimento, e desempenho mecânico. Além disso, foi estudado o efeito da esterilização (por radiação gama ou calor húmido) sobre o material mais promissor. Foi avaliado o comportamento de fricção e desgaste das amostras IV esterilizadas, bem como a biocompatibilidade e a possibilidade do material compósito ser carregado com os fármacos (diclofenaco ou cetorolaco). Os resultados mostraram que as nanofibras de PBO combinadas com o PVA formaram uma estrutura superforte com um desempenho mecânico que excede a grande maioria dos hidrogéis previamente reportados. Os compósitos de PVA-PBO contendo 14.2% m/m de nanofibras exibiram propriedades que se assemelhavam de perto às dos tecidos das articulações. Além disso, puderam ser esterilizados em segurança sem comprometer a sua integridade física e desempenho global. O material esterilizado mostrou propriedades tribológicas adequadas, uma excelente biocompatibilidade, e potencial para utilização enquanto plataforma de entrega local de anti-inflamatórios. Considerando a necessidade de abordar as lesões mais profundas da CA, foram também desenvolvidas construções de bicamada para a substituição de defeitos de cartilagem de espessura total (defeitos osteocondrais). Para tal, foram preparadas duas formulações diferentes de materiais semelhantes à cartilagem e duas de materiais semelhantes ao osso. As camadas do tipo cartilagem foram feitas de hidrogéis de PVA reforçadas com nanofibras de aramida e PBO derivadas das fibras de alto desempenho de Kevlar® e Zylon® , respetivamente, enquanto as camadas do tipo osso foram produzidas pela incorporação de micropartículas cerâmicas dopadas com magnésio de fosfato de cálcio bifásico e β-fosfato tricálcico numa matriz de PVA. Todos os compósitos produzidos foram caracterizados após a sua esterilização por radiação gama no que diz respeito à morfologia, porosidade, densidade aparente, conteúdo líquido, desempenho compressivo, viscoelasticidade, comportamento de indentação e biodegradabilidade. Além disso, foram investigadas a bioatividade e o potencial biológico das amostras tipo osso. Os materiais de cada tipo com o melhor desempenho foram depois combinados em estruturas de bicamada que foram igualmente caracterizadas e as suas propriedades correlacionadas com as das camadas individuais. Além disso, foi avaliada a sua citotoxicidade e hemocompatibilidade. Globalmente, os resultados indicaram que tanto as nanofibras como os biocerâmicos incorporados nas matrizes de PVA dão origem a biomateriais promissores com múltiplas propriedades interessantes. Os compósitos que emulam a cartilagem e estrutura óssea mostraram um elevado grau de biomimetismo com tecidos naturais, sendo capazes de conciliar uma mecânica excecional com os requisitos de uma porosidade desejável, elevado conteúdo líquido, e um desempenho biológico adequado. Além disso, as construções de bicamada demonstraram uma excelente ligação entre camadas e foram altamente biocompatíveis e hemocompatíveis. Em suma, os materiais desenvolvidos nesta tese mostram um grande potencial de aplicação como substitutos de cartilagem de suporte de carga. Estudos adicionais deverão ser considerados com vista à sua futura tradução clínica. The design of materials for articular cartilage (AC) replacement poses several challenges due to the complexity of the living tissues involved (hyaline cartilage and subchondral bone), their inherent characteristics, and highly demanding properties. Polyvinyl alcohol (PVA) hydrogels have been widely explored for such purpose owing to their excellent biocompatibility, high chemical stability, water content, and low coefficient of friction. However, the insufficient mechanical properties of PVA have limited its clinical translation as an artificial AC replacement. This thesis aimed to develop new PVA-based reinforced materials with high potential to be used in the replacement of damaged AC tissue. PVA hydrogels were produced by cast-drying (CD) and freezing-thawing under various conditions in order to evaluate the effect of the preparation methodology on their main properties (morphology, water content, swelling capacity, thermotropic behavior, mechanical response, and tribological performance). It was found that the preparation procedure critically influences the characteristics and performance of PVA hydrogels. The CD strategy led to materials with properties much closer to those of natural cartilage. The effect of post-processing treatments (annealing, high hydrostatic pressure, and gamma radiation) on the overall performance of PVA hydrogels obtained by CD (i.e., on the morphology, water content, wettability, mechanical properties, and tribological behavior) was also investigated. The possibility of the most promising material to be used as a delivery vehicle of anti-inflammatory drugs (diclofenac or ketorolac) at a local level was also evaluated. Lastly, tests were carried out to access the biocompatibility of the materials. With the exception of high hydrostatic pressure, the treatments led to significant improvements in material properties. In particular, the annealing procedure at 150ºC gave rise to the best mechanical and tribological results, but at the expense of a decrease in water content. Furthermore, the annealed hydrogel could be loaded with the anti inflammatories for post-release without inducing irritation or cytotoxicity in the biological tissues. Trying to find a balance between a high-water content of the material, essential to ensure cell viability and viscoelasticity, with the best mechanical properties, an alternative reinforcement strategy to post-processing methods was explored. Poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazole) (PBO) nanofibers obtained from high-performance commercial Zylon® fibers were used for the first time to reinforce PVA hydrogels. Different concentrations of PBO were incorporated. The materials were evaluated regarding chemical structure, thermal behavior, water content, swelling capacity, and mechanical performance. In addition, the effect of sterilization (by gamma radiation or steam heat) on the most promising material was studied. The friction and wear behavior of the sterilized samples was assessed, as well as the biocompatibility and the possibility of the composite material II being loaded with drugs (diclofenac or ketorolac). The results showed that PBO nanofibers combined with PVA formed a super-strong structure with a mechanical performance that exceeds the vast majority of previously reported hydrogels. The PVA-PBO composites containing 14.2% w/w nanofibers exhibited properties that closely resembled those of joint tissues. Moreover, they could be safely sterilized without compromising their physical integrity and overall performance.

Authors in the community:

• 

  A

  Andreia Sofia Gonçalves de Oliveira

  ist179397

Supervisors of this institution:

• 

  A

  Ana Paula Valagão Amadeu do Serro

  ist134419

• 

  R

  Rogério Anacleto Cordeiro Colaço

  ist13267

101705085

Doutoramento em Líderes para Indústrias Tecnológicas

industrial-biotechnology - Industrial Biotechnology

Keywords

• materiais à base de álcool polivinílico
• estratégias de reforço de hidrogéis
• substitutos da cartilagem articular
• libertação controlada de fármacos
• esterilização
• polyvinyl alcohol-based materials
• hydrogel reinforcement strategies
• articular cartilage replacements
• controlled drug release
• sterilization

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