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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) The work consists of the deposition of Ti-Nb-Zr ternary alloy coatings in the form of thin films on an AISI 316L stainless steel substrate for applications in the biomedical area, such as dental or orthopedic prosthesis. The main goal of this study is the production of a material with a lower manufacturing cost, when compared to the bulk material composed only by the Ti-Nb-Zr alloy. In addition to this factor, the biocompatibility of the Ti-Nb-Zr alloy is superior to that of AISI 316L steel. The deposition technique used in this work is magnetron sputtering”) using three targets, one of titanium and the others by niobium and zirconium, and stainless steel as substrate. The coatings are characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) coupled with X-ray energy dispersive spectroscopy (EDS), and X-ray excited photoelectron spectroscopy (XPS) to obtain the composition, crystallographic, morphological and texture properties. Mechanical tests are also carried out, such as nanoindentation, to evaluate the properties of the deposited material and its compatibility with human tissue. The results from this work indicate that design and evaluation of Ti based thin films can be achieved by methods such as Bo-Md diagram and molybdenum equivalency. Young’s modulus for all samples in this work have presented lower values compared to 316L stainless steel, what corroborates its application as a material for orthopaedic prosthesis. O trabalho consiste na deposição de revestimentos de ligas ternárias Ti-Nb-Zr na forma de filmes finos sobre um substrato de aço inoxidável AISI 316L para aplicações na área biomédica, como prótese dentária ou ortopédica. Este estudo possui como um dos fundamentos a produção de um material com menor custo de fabricação comparado ao material composto somente pela liga Ti-Nb-Zr. Em adição a este fator, a biocompatibilidade da liga Ti-Nb-Zr é superior à do aço AISI 316L. A técnica de deposição a ser utilizada é a pulverização magneto-catódica (“magnetron sputtering”) a partir de três fontes, uma de titânio, outra de nióbio e a terceira de zircônio, sobre um substrato de aço inoxidável. Os recobrimentos serão caracterizados por técnicas de difração de raios-X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV) com espectroscopia de energia dispersiva por raios X (EDS) e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X (XPS) para obtenção da composição, propriedades cristalográficas, morfológicas e de textura. Para a análise de propriedades mecânicas e físicas foram utilizados ensaios de nanoindentação. Também foram realizados ensaios mecânicos por nanoindentação, para avaliar as propriedades do material depositado e sua compatibilidade com o tecido humano. Os resultados deste trabalho permitiram avaliar a aplicação de ferramentas, como diagrama Bo-Md e equivalência de molibdênio, para o design de filmes finos de titânio depositados por pulverização magneto-catódica. Além disso, os filmes depositados apresentam valores de módulo de elasticidade inferiores ao do aço 316L, corroborando seu potencial para aplicação próteses. Processo nº 88887.494642/2020-00, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) In the present thesis, nanostructured coatings of Ti (100 - (20 + z)) -Nb20-Xz alloys (X = Zr and Mg) were produced by sputtering. So with that, it was possible to analyze the effect of the addition of Zr and Mg on the physical, mechanical, morphological, structural and biological behavior compared to the same alloys made by casting in copper mold. The results show that Zr has an effect on the formation of phases, texture, mechanical and biological properties of the TiNb system for both cast alloys and coatings, since low levels favor the formation of martensitic phases regardless of the cooling rate, and in the coatings the precipitation of the ω phase, but for Zr contents greater than 20 at. %, it occurs the stabilization of the β phase. Also, the addition of zirconium causes the presence of texture in the coatings, which is similar to the melted alloys rapidly solidified. In addition, a decrease in both the elastic modulus and the hardness of the cast alloys, reaching values close to the bone with the increase in the cooling rate. While for Mg, the structural, morphological, mechanical and tribological properties depend on the transformation from α to β phase with increasing Mg content. Biologically, the alloys had an increase in cell growth, showing the potential of these systems for their possible use in the manufacture of medical implantation devices. Na presente tese foram produzidos recobrimentos nanoestruturados de ligas Ti (100 - (20+z)) -Nb20-Xz (sendo X= Zr e Mg) por pulverização magneto catódica. Com isso, foi possível analisar o efeito da adição de Zr e Mg no comportamento físico, mecânico, morfológico, estrutural e biológico comparado com as mesmas ligas feitas por fundição em molde de cobre. Os resultados mostram que o Zr tem um efeito na formação de fases, textura, propriedades mecânicas e biológicas do sistema TiNb, tanto para as ligas fundidas como para os recobrimentos, já que baixos teores favorecem a formação de fases martensíticas independentemente da taxa de resfriamento, e nos recobrimentos a precipitação da fase ω, mas para teores de Zr superiores a 20% at. ocorre a estabilização da fase β. Também a adição de zircônio gera a presença de textura nos recobrimentos, a qual é similar às das ligas fundidas solidificadas rapidamente. Além disso, ocorre a diminuição tanto no módulo de elasticidade quanto na dureza das ligas fundidas, chegando a valores próximos ao do osso com o aumento da taxa de resfriamento. Enquanto que para o Mg, a estrutura morfológica, as propriedades mecânicas e tribológicas dependem da transformação da fase α para a β com o aumento do teor de Mg. Biologicamente, as ligas tiveram um aumento do crescimento celular, mostrando o potencial destes sistemas para seu possível uso na fabricação de dispositivos de implantação médica. FAPESP: 2017/25983-8

Não recebi financiamento In the Bone Tissue Engineering, biomaterials are used as scaffolds to produce a support and cell growing. Because of the similarity to the bones cells, ceramic compounds are the main materials used to produce the scaffold. However, the primary challenge of producing them relies on conformation, due to anatomical complex geometry. Under this perspective, the additive manufacturing technology (AM) is seen as a solution, because of its conformational liberty of parts production. Thus, a technological forecasting establish a scene of the AM researches in development and understate the uncertain towards the future of bioceramics application. This research aims to map the scientific and technological progress of bioceramics use in AM trough scientific indicators made in the technological forecasting context. The methodology is based on the use of bibliometry in a recordset of scientific publications indexed in the Web of Science database, and as complement, AM experts evaluations were used to arbitrate the scientific method. The recovered records were filtrated and classified by traditional scientific indicators and by text mining, the extraction of AM and bioceramics were made to produce advanced scientific indicators. The indicators analysis revealed a global tendency of growth in scientific papers of AM, with USA, China and Germany as the main countries with research in this topic. Brazil is the 20th country in this scenario, with the South and Southeast public education institutes as main agents. Regarding AM technologies the Powder Bed Fusion and Vat Polymerization, nonetheless the general processes were the one with the highest number of publications. The recurrent bioceramics were Calcium Phosphates, Alumina, Zirconia and a highlight to the glass and glass ceramics. A Engenharia de Tecidos Ósseos se utiliza dos biomateriais na forma próteses estruturais implantáveis (scaffolds) para produzir suporte e crescimento de células teciduais. As biocerâmicas são os principais materiais utilizados pela compatibilidade com os tecidos ósseos, e o principal desafio na produção de scaffolds está em sua conformação devido às geometrias anatômicas complexas do corpo humano. Nessa perspectiva, a tecnologia de manufatura aditiva (MA) é vista como uma possível solução pela liberdade conformacional na produção das peças, embora haja desafios científicos a serem transpostos antes da aplicação desta tecnologia utilizando biocerâmicas no mercado. Desse modo, este estudo se propôs a mapear os avanços científicos e tecnológicos das biocerâmicas processadas por MA por meio de indicadores científicos no âmbito da prospecção tecnológica. A metodologia se baseou na aplicação da bibliometria como técnica para quantificar a informação encontrada em um conjunto de publicações científicas indexadas na base de dados Web of Science, e, como complemento, uma avaliação de especialistas na área de MA. Estas publicações científicas recuperadas foram filtradas e classificadas para criação de indicadores científicos tradicionais e, por meio de mineração de texto, os processos de MA e as biocerâmicas foram mapeados para análise de indicadores tecnológicos avançados. A análise desses indicadores mostrou uma tendência mundial de crescimento nas publicações em MA, com EUA, China e Alemanha sendo os países líderes nesse assunto. As principais MA específicas foram a fusão de leito em pó e polimerização de cubas. Entretanto, a maior ocorrência de pesquisas foi em termos gerais, tais como impressão 3D e prototipagem rápida. As biocerâmicas com maior ocorrência na mineração de texto das publicações científicas foram os Fosfatos de Cálcio, Alumina, Zircônia, com destaque para os vidros e vitrocerâmicas. O Brasil, apesar de estar entre os vinte principais países pesquisadores nesse tópico, está aquém na escala do panorama mundial.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Stents are medical devices which promote the opening and mechanical support of clogged blood vessels and, once applied, cannot be removed. The manufacture of bioabsorbable stents is desirable to avoid several subsequent clinical complications, such as restenosis. Bioabsorbable metallic stents manufactured with iron-based alloys deserve prominence due to the very low toxicity and good compromise between mechanical strength and ductility. However, the corrosion resistance of these alloys is still very high compared to the lifetime of the stent. Such properties, coupled with the modification of the Fe corrosion rate by the addition of alloying elements, shows the potential of this system in the manufacture of stents. In this context, the objective of this project is to evaluate the manufacture of Fe-Mn-based alloys by means of electrodeposition, especially the process parameters and their influence on the surface morphology and microstructure. The samples were obtained by electrodeposition from a base electrolyte of 0.4 M FeCl2 + 0.4 M MnCl2, with the addition of additives such as ammonium chloride, sodium saccharin and sodium dodecyl sulfate. The deposits with the best surface quality were analyzed by Scanning Electron Microscopy, Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy and X-Ray Diffraction. The results indicated that the simultaneous deposition of Fe-Mn in potentials beyond -1.7 V vs. Ag/AgCl results in the formation of a dendritic microstructure, also leading to the presence of defects such as porosity and cracks. On the other hand, the addition of ammonium chloride allows the incorporation of higher Mn content with lower values of potential, maintaining the formation of a homogeneous microstructure and with lower level of defects. Sodium saccharin and sodium dodecyl sulfate were also effective in improving the surface quality of the deposit, indicating that the use of additives is indispensable in obtaining Fe-Mn alloys obtained by electrodeposition. Stents são dispositivos médicos que promovem a abertura e sustentação mecânica de vasos sanguíneos obstruídos e, uma vez aplicados, não podem ser retirados. A fabricação de stents bioabsorvíveis é desejável para evitar diversas complicações clínicas posteriores, como a restenose. Stents metálicos bioabsorvíveis fabricados à base de Fe merecem destaque devido à baixíssima toxicidade e bom compromisso entre resistência mecânica e dutilidade. Contudo, a resistência à corrosão dessas ligas ainda é muito alta em comparação ao tempo de vida útil do stent. Tais propriedades, aliadas à modificação da taxa de corrosão do Fe pela adição de elementos de liga, mostra o potencial desse sistema na fabricação de stents. Nesse contexto, o objetivo da presente dissertação é avaliar a obtenção de ligas do sistema Fe-Mn por meio de eletrodeposição, com enfoque nos parâmetros de processo e sua influência na morfologia superficial e microestrutura. As amostras foram obtidas por eletrodeposição a partir de um eletrólito-base de 0,4 M FeCl2 + 0,4 M MnCl2, com a adição de aditivos como cloreto de amônio, sacarina sódica e dodecil-sulfato de sódio. Os depósitos com melhor qualidade superficial foram analisados por Microscopia Eletrônica de Varredura, Espectroscopia de Raios-X Dispersiva em Energia e Difração de Raios-X. Os resultados indicaram que a deposição simultânea de Fe-Mn no potencial de -1,7 V vs. Ag/AgCl resulta na formação de uma microestrutura dendrítica, levando também à presença de defeitos como porosidade e trincas. Contudo, a adição de cloreto de amônio permite a incorporação de maior teor de Mn com menores valores de potencial, mantendo a formação de uma microestrutura homogênea e com um nível inferior de defeitos. A sacarina sódica e o dodecil-sulfato de sódio também se mostraram efetivos em melhorar a qualidade superficial do depósito, indicando que a utilização de aditivos é indispensável na obtenção de ligas Fe-Mn obtidas por eletrodeposição. CNPq: 132515/2017-2

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) The work presented here had as a proposal the development of a process adapted from the ice-template technique, using as solute sodium alginate an organic polymer of renewable and non-toxic source, which forms structures due to its crosslinking ability when in contact with divalent ions, such as Ca2+. The use of renewable polymers together with low cost processes for obtaining porous materials has great relevance for the development of a sustainable economy. The objective was to promote the simplification of the ice-template process, with lower cost for the technique from a freezing system, without the use of the lyophilization technique and the insertion of the gel into porous materials. The formed gels were submitted to drying by apolar solvents, morphological characterization by optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM), and porosity and capillary tests. It has been determined that it is possible to produce porous materials through calcium alginate formulations in a simple manner, forming multidirectional and unidirectional pore materials. The formulation of 0,15 g/100g of sodium alginate with 0,0010 mol/L of CaCl2 was the best so far, to be used in the formation of porous gels, because of the best mass yield. Drying with the use of butanol was the one that best maintained the structural integrity of the gels and the coffee composites besides helping the gel structure, allowed the prospection for new applications to the gels produced. We have proven the concept of permeating the freezing formulation in porous materials and producing freezing gels inside their pores O trabalho aqui apresentado teve como proposta o desenvolvimento de um processo adaptado da técnica de ice-template, utilizando como soluto o alginato de sódio um polímero orgânico de fonte renovável e atóxico, que forma estruturas devido a sua capacidade reticulação quando em contato com íons divalentes, como o Ca2+. A utilização de polímeros renováveis junto a processos de baixo custo, para a obtenção de materiais porosos, tem grande relevância para o desenvolvimento da economia sustentável. O objetivo foi promover a simplificação do processo ice-template, com menor custo para a técnica a partir de um sistema de congelamento, sem a utilização da técnica de liofilização e a inserção do gel em materiais porosos. Os géis formados foram submetidos a secagem por solventes apolares, caracterização morfológica através da microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura (MEV), e testes de porosidade e capilaridade. Foi determinado que é possível produzir materiais porosos através de formulações de alginato de cálcio de forma simples, formando materiais de poros multidirecionais e unidirecionais. A formulação de 0,15 g/100 g de alginato de sódio com 0,0010 mol/L de CaCl2 foi a melhor até então, para ser usada na formação de géis porosos, por conta do melhor rendimento mássico. A secagem com a utilização de butanol foi a que melhor manteve a integridade estrutural dos géis e os compósitos de café além de auxiliar na estrutura do gel, possibilitou a prospecção para novas aplicações aos géis produzidos. Provamos o conceito de permear a formulação de congelamento em materiais porosos e produzir géis por congelamento dentro de seus poros CAPES: 1662456

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Polyurethanes are applied for many purposes. This wide use is due to the versatility of these polymers, consisting of flexible and rigid segments, whose combination determines their characteristics. Therefore, the main objective of this work was to synthesize a biocompatible and biosorbable polyurethane, with an adequates properties to be used as a scaffold in meniscus regeneration. Prepolymer was obtained by bulk polymerization of L-lactide, D,L-lactide, polycaprolactone diol monomers. The initiator used was Tin II 2-ethylhexanoate. Materials was added to a flask under N2 atmosphere and immersed in an oil bath at 150 ºC, with stirring during 24 hours. Polyurethanes were obtained by solution polymerization of the prepolymer to a previous stage with 1,6-hexamethylene diisocyanate at a molar ratio of 1:8. Two polyurethanes were formed, using 2,1x10-4 mol of prepolymer and another one using 4,2x10-4 mol of prepolymer. The polyurethane synthesis was prepared on a flask under N2 atmosphere and immersed in oil at 70ºC with stirring during 6 hours. The average molecular weight of prepolymer was 104 g/mol obtained by GPC. Prepolymer and polyurethane were analyzed by FTIR and 1H NMR where results showed the presence of polycaprolactone, L and D,L-lactic acid and urethane groups in the polyurethane. Glass transition temperature, crystallization temperature and melt temperature were obtained by DSC analysis. The amount of prepolymer used in the polyurethane synthesis generated a difference on temperatures obtained by DSC analysis. The crystallinity of the polyurethanes were also verified by XRD. In the DMA analysis was observed that the polyurethane films melting around 60°C. It was observed also at DSC analysis. The DMA results corroborated with those of the XRD for the difference in crystallinity between the polyurethane films, the PU-C is more crystalline than the others. The TG and DTG analysis of polyurethanes demonstrated the presence of three stages of weight loss, with the Tonset changing with crystallinity value. The cell viability assay, based on the cytotoxicity of the polyurethanes, has shown that it is possible to proliferate cells in polyurethane synthetized. Therefore due to the characteristics presented by this polyurethane it could be applied as polymeric biomaterial in the field of tissue engineering. As poliuretanas são aplicadas em diversos fins. Esta ampla utilização se dá pela versatilidade destes polímeros, constituído de segmentos flexíveis e rígidos, cuja combinação determina as propriedades características dos materiais em diversas aplicações. O objetivo deste trabalho é sintetizar uma poliuretana biocompatível e bioreabsorvível, com características adequadas para ser aplicada futuramente como arcabouço na regeneração tecidual de menisco. A poliuretana foi obtida através de dois estágios de sínteses, o primeiro para a produção do pré-polímero e o segundo para a produção da poliuretana. O pré-polímero foi obtido por polimerização em massa dos monômeros L-lactídeo, DL-lactídeo e policaprolactona-diol a 150°C por 24 horas. Por sua vez, as poliuretanas foram obtidas por polimerização em solução do pré-polímero, do estágio anterior, com o 1,6-hexametileno diisocianato, em uma relação molar 1:8. As sínteses ocorreram a 70°C por 6 horas. Duas delas foram a partir de 2,1x10-4 mol do pré-polímero e outra com 4,2x10-4 mol. O pré-polímero apresentou massa molar numérica média da ordem de 104 Da, obtida por GPC. O pré-polímero e as poliuretanas foram submetidos a caracterizações FTIR e RMN 1H. Os resultados por FTIR mostraram a presença dos grupos principais da policaprolactona e do L e DL ácido lático, confirmados pelo RMN 1H. Da mesma forma para a poliuretana, os resultados do FTIR mostraram a formação do grupo uretana, confirmado pelo RMN 1H. Por meio da DSC dos pré-polímeros e das poliuretanas foi possível obter os valores de temperatura de transição vítrea, de cristalização e de fusão. Notando diferenças entre as poliuretanas quanto a apresentação desses eventos, devido à quantidade de mol utilizada na síntese. As cristalinidades das poliuretanas foram verificadas também por DRX, relacionando esta técnica com o ensaio de DSC, a fim de verificar qual poliuretana possui maior cristalinidade. Ao realizar o ensaio de DMA observou-se que os filmes das poliuretanas amoleceram ao atingir temperaturas por volta de 60°C, relacionando aos eventos observados no DSC. Os resultados do ensaio de DMA corroboram com os do DRX quanto à diferença de cristalinidade entre os filmes de poliuretana, demonstrando que a PU-C possui maior cristalinidade que as demais. As curvas de TG e as de DTG das poliuretanas demonstraram a presença de três estágios de perda de massa, com o Tonset diferindo-se entre as poliuretanas, conforme há o aumento de cristalinidade. O ensaio de viabilidade celular, com base na citotoxidade das poliuretanas, demonstrou que é possível proliferar células sobre as mesmas. Em função das características apresentadas pelo material desenvolvido, é possível uma futura aplicação do mesmo como biomaterial polimérico no campo da engenharia tecidual.

Não recebi financiamento The present work was carried out to analyze the viability of the 3D printing technique for the production of ceramic/polymer composites with bioabsorbable characteristics and both physical-chemical and mechanical properties suitable for the production of implants with a better osseointegration potential and less invasiveness. PLA/calcium phosphate composites in different amounts of organic fillers were obtained for better understanding the application limits of the 3D printing technique through composite filament fusion. Two different routes synthesized calcium phosphate: polymer precursors and acid method. For the composites, mixtures of 10, 30 and 50% by weight of the ceramic were tested, the polylactic acid polymer (PLA) was used, and the dispersion of this hydroxyapatite (HA) was compared with the presence of a compatibilizer, maleic anhydride acid (AM). Characterization analysis, such as Infrared (FT-IV) spectroscopy, Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), Scanning electron microscopy (SEM), thermogravimetry (TGA), differential scanning calorimetry (DSC) and EDS dispersive energy spectroscopy) were used for ceramics as well as for the PLA polymer, and mechanical strength parameters analysis such as tensile, compression, shear and torsion, were also carried out in order to obtain mechanical characteristics of the obtained and studied composites. At the end of the synthesis of the ceramics, two types of calcium phosphate ceramics were obtained, and the one chosen was the one obtained through the wet process, hydroxyapatite (HA), due to its better crystallinity and purity. For mixing the ceramic and polymer, the chloroform solvent was used, due to the excellent polymer solubility and it was easily removed from the composite by evaporation. At the end of 3D printing of all composites, mechanical strength tests were performed in order to compare them with human bone data found in the literature. Preliminary testing with rats was also carried out. In conclusion, the most appropriate route of synthesis of the ceramic was found to be the wet method; The method of compatibilizing the ceramic into the polymer via dissolution with the chloroform solvent is efficient and safe. The impressions of the test specimens for mechanical tests via 3D printing are better performed with the aid of the AM, the obtained data from mechanical resistance meet the need of larger pieces for use of the composite in the medical and dentistry, and that the composite is biocompatible. O presente trabalho foi realizado visando analisar a viabilidade da técnica de impressão 3D para a produção de compósitos cerâmica/polímero com características bioabsorvíveis e de propriedades físico-químicas e mecânicas adequadas para produção de implantes com potencial para melhor osseointegração e menor invasividade. Compósitos de PLA/fosfatos cerâmicos de cálcio foram obtidos para melhor compreensão dos limites de aplicação da técnica de impressão 3D via modelagem por fusão do filamento. Foram sintetizados fosfatos cerâmicos de cálcio por duas rotas distintas: precursores poliméricos e via húmida. Para os compósitos, foram testadas misturas de 10, 30 e 50% em massa da cerâmica e utilizado o polímero ácido polilático (PLA) e também comparada a dispersividade da hidroxiapatita (HA) na presença de um compatibilizante, anidrido maléico (AM). Análises de caracterização como Infravermelho (FT-IV), Raman, Raios X (DRX), Microscopia eletrônica de varredura (MEV), termogravimetria (TGA), caloria exploratória diferencial (DSC) e espectroscopia de energia dispersiva EDS) foram utilizadas para as cerâmicas e o polímero PLA, e analises de resistência mecânica como tração, compressão, cisalhamento e torção, foram utilizadas também para obter dados físicos dos compósitos obtidos. Ao final da síntese das cerâmicas, obteve-se dois tipos de cerâmica fosfato de cálcio, sendo a escolhida a obtida por via úmida, HA por apresentar melhor cristalinidade e pureza. Para mistura da cerâmica no polímero utilizou-se o solvente clorofórmio, por apresentar ótima solubilidade do polímero e ser facilmente retirado do compósito por evaporação. Ao final da impressão 3D de todos os compósitos, testes de resistência mecânica foram feitos para que se comparasse com dados reais de ossos humanos, obtidos da literatura. Teste preliminar com cobaias vivas também foi realizado. Concluiu-se deste trabalho que a via de síntese mais apropriada da cerâmica é a úmida; que o método de compatibilização da cerâmica no polímero via dissolução com o solvente clorofórmio é eficiente; que as impressões dos corpos de prova para testes mecânicos via impressão 3D são melhores feitas com auxílio do compatibilizante AM e que os dados obtidos de resistência mecânica atendem a necessidade de peças maiores para uso do compósito nas áreas médico e odontológica e que o compósito é biocompatível.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) With the increase in life expectancy, there has been a raise in the use of prostheses due to the need to replace parts of the human body. To avoid tissue rejection, metal alloys from implants should be biocompatible. The Ti-6Al-4V alloy is widely used in prostheses, however, aluminum presents tissue irritation and inflammation issues and vanadium oxide is unstable, with a high probability of being cytotoxic. Thus, the search for new alternatives has reached the Ti-β alloys, whose properties are more similar to those of the human bone and its structure can present stable or metastable phases according to the quantity of the alloying elements. Unfortunately, Ti prosthesis have a high price compared to the 316L and 316L stainless steel ones, as the later do not have the biocompatibility characteristics of Ti. It seems an interesting research topic about how to use a Ti alloy coating in stainless steel for biomedical application. To be able to deposit the metal alloy, magnetron sputtering is a good choice, since this technique is largely used to obtain thin films due to the quality of the formed films, their high deposition rate, low pressure work and less intense electron bombardment of the substrate. Consequently, it has been used in the manufacture of thin films of Ti and its alloys for biomedical applications. There is no notice of another research group working in this theme. In this project, the objective is to study the influence of the surface change on the deposition of the thin films and if there is difference in the composition when performing chemical cleaning before spraying. Com o aumento da expectativa de vida, houve um aumento no uso de próteses devido à necessidade de substituir alguma parte do corpo humano. As ligas metálicas utilizadas em implantes devem ser biocompatíveis, para evitar a rejeição pelo corpo. Uma liga muito utilizada é a Ti-6Al-4V, entretanto o alumínio possui problemas de irritação e inflamação de tecidos e o óxido de vanádio é instável, com alta probabilidade de ser citotóxico. Assim, a procura de novas alternativas chegou-se as ligas de Ti-β, cujas propriedades são mais parecidas com as do osso humano e sua estrutura pode apresentar fases estáveis ou metaestáveis de acordo com a quantidade dos seus elementos de liga. Entretanto, próteses de Ti tem um preço alto em relação as de aço inoxidável 316 e 316L. Como estas não possuem as características de biocompatibilidade do Ti, é interessante utilizar um recobrimento de liga de Ti em aço para uso biomédico. Para a deposição da liga metálica, o processo de pulverização magneto-catódica é de grande interesse. Essa técnica consagrou-se na deposição de filmes finos devido a sua alta taxa de deposição, trabalho a baixas pressões, bombardeamento menos intenso de elétrons no substrato e qualidade do filme formado. Consequentemente, passou a ser utilizada na fabricação de filmes finos de Ti e suas ligas para aplicações biomédicas. O objetivo deste projeto é estudar a influência da alteração da superfície na deposição dos filmes finos, ou seja, se há diferença na composição ao se realizar limpeza química antes da pulverização. É importante notar que não se tem notícia de outro grupo de pesquisa trabalhando no mesmo tema.

Não recebi financiamento Chemical surface treatments (CST) in cementless and endosseous implants are used to increase the implant-bone contact area, reducing the period of osseointegration and favouring bonding ability between implants and bone. However, surface modifications can affect the fatigue strength of these materials, especially the fatigue crack nucleation. For these reasons, this work evaluated the influence of the surface modification using acid etching, combined with alkaline treatment on the fatigue strength of Ti-6Al-4V ELI alloy. The topography developed by chemical surface treatments was examined by scanning electron microscopy (SEM) and confocal laser scanning microscopy (CLSM). Increased roughness and the effective surface area were investigated and compared with the Ti-6Al-4V samples without modification. Surface composition was analyzed by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Axial fatigue resistances of polished and modified surfaces were determined by stepwise load increase tests and staircase test method. Finally, SEM was employed to examine the fracture surface of the tested specimens. According to the results, it was observed a similar fatigue behavior of the chemically treated Ti-6Al-4V alloy compared to the samples without treatment. Tratamentos químicos sobre a superfície dos implantes intra-ósseos são usados para aumentar a área de contato do par implante-osso, diminuindo o período de osseointegração e favorecendo a capacidade de ligação entre o implante e o osso. No entanto, modificações de superfície podem afetar a resistência à fadiga destes materiais, especialmente quanto a nucleação de trinca por fadiga. Por estas razões, este trabalho avaliou e analisou a influência na resistência à fadiga das ligas de Ti-6Al-4V ELI com modificações na superfície, geradas por tratamentos ácidos e um posterior tratamento alcalino. A mudança na topografia promovida pelos tratamentos químicos foi examinada com microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia confocal de varredura a LASER (CLSM). O aumento da rugosidade e da área efetiva de contato foram estudadas e comparadas com as amostras de Ti-6Al-4V sem modificação. A composição química da superfície foi analisada por espectroscopia com energia dispersiva de raios-X (EDS). A resistência axial à fadiga dos corpos-de-prova polidos e modificados foi determinada pelo método escalonado de tensões e o método “staircase”. Finalmente, Imagens por MEV foram usadas para examinar a superfície de fratura dos espécimenes fraturados após serem testados à fadiga. De acordo com os resultados obtidos, observou-se um comportamento semelhante no desempenho à fadiga do material com a superfície tratada quimicamente com H3PO4 ou HCl e posteriormente com NaOH, em comparação com o sem tratamento.

Não recebi financiamento Burn injuries represent a high risk of morbidity and mortality worldwide. In severe and deep injuries, the wound healing process is complex and requires the participation of different types of cells. Among the existing treatments, biomaterials and LLLT are highlighted for having properties that favor and stimulate the healing process. Thus, three studies were conducted to evaluate the effects of bacterial cellulose membranes in its pure state or enriched with lidocaine and LLLT (660 nm) in two different fluences (12.5J/cm2 and 25J/cm2) used independently or associated, on third-degree burns in rats. The burn was induced with an aluminum plate at 150°C, pressed onto the animal's back for 10 seconds. In the first study the action of bacterial cellulose membrane in its pure state and enriched with lidocaine, as biological dressings was evaluated. Therefore, the rats were divided in three experimental groups, CG (control group), MG (group treated with the pure bacterial cellulose membrane), and MLG (group treated with the bacterial cellulose membrane with lidocaine). The treated groups showed an advanced wound healing when compared to the control group. In the immunohystochemical analysis of COX-2, the treated groups showed a light immunoexpression, with the characteristics of repaired tissue. Thus, bacterial cellulose-based biological dressings were effective and provided a favorable environment for the development of the healing process. In the second study, the effects of LLLT with two different fluences (12.5J/cm2 and 25J/cm2) in three experimental groups, divided into CG (control group), LG12.5 (burning treated group 12.5 J/cm2) and LG25 (burn group treated with 25 J/cm2) were evaluated. The animals received laser application immediately after the induction of the lesion and the subsequent doses 2, 4, 6 and 8 days after the induction, at five different points, four on the edges of the wound and one in the central region. The LG25 had better results, with higher number of blood vessels, increased immunoexpression of VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) and decreased immunoexpression of COX-2 (Cyclooxygenase-2) when compared to CG and GL12.5 groups. The LG12.5 showed the longest delay in the progression of the healing process, due to its intense inflammation and tissue fibrosis when compared to CG and LG25. In the third study the association of pure bacterial cellulose membrane and LLLT (660 nm, 25 J/cm2) was investigated. Four groups were evaluated, CG (control group), MG (burn group treated with pure bacterial cellulose membrane), LG (burn group treated with laser 25 J/cm2) and MG + L (burn group treated with bacterial cellulose membrane + LLLT). Histological findings demonstrated that the treated group showed better results in the healing process. The (GM + L) showed results similar to those found in the GL, evidencing the stimulatory effects of angiogenesis provided by the laser light. GM showed improvement in the healing process, indicating the proliferative phase. However, although LLLT presented the expected proinflam matory effects, which modulate the inflammatory phase and favor tissue regeneration, the isolated action of the bacterial cellulose membrane proved to be advantageous by presenting tissue characteristics, which are compatible with a more advanced phase of the healing process. Queimaduras representam mundialmente alto risco de morbidade e mortalidade. Nas consideradas severas ou profundas, o processo de cicatrização é complexo e necessita da participação de diversas linhagens celulares. Dentre os tratamentos existentes, os biomateriais e a Terapia laser de baixa intensidade (LLLT) vêm se destacando por apresentar propriedades que favorecem e estimulam o processo de cicatrização. Assim, foram realizados três estudos com o objetivo de avaliar os efeitos das membranas de celulose bacteriana pura e com lidocaína e da LLLT (660 nm) em duas fluências diferentes (12,5J/cm2 e 25J/cm2), utilizados independentemente ou associados, em queimaduras de terceiro grau em ratos. A queimadura foi realizada através de uma placa de alumínio acoplada a um ferro de solda aquecido a 150°C, pressionado no dorso do animal por 10 segundos. No primeiro estudo a ação das membranas de celulose bacteriana pura e acrescida de lidocaína foram avaliados. Para isso, foram estabelecidos três grupos experimentais divididos em GC (grupo controle), GM (grupo queimadura tratado com a membrana de celulose bacteriana pura) e GML (grupo queimadura tratado com a membrana de celulose acrescida de lidocaína). Os grupos tratados com as membranas demonstraram um processo de cicatrização avançado quando comparado ao grupo controle. Na análise da imunoexpressão da COX-2, os grupos tratados apresentaram a imunoexpressão de forma leve, o que evidencia características de tecido reparado. Assim, concluímos que os curativos biológicos a base de celulose bacteriana, foram efetivos, proporcionando um ambiente favorável para a evolução do processo de cicatrização. No segundo estudo, foram avaliados os efeitos da LLLT com duas diferentes fluências (12,5J/cm2 e 25J/cm2) em três grupos experimentais, divididos em GC (grupo controle), GL12,5 (grupo queimadura tratado com 12,5J/cm2) e GL25 (grupo queimadura tratado com 25J/cm2). Os animais receberam a aplicação da LLLT imediatamente após a indução da lesão e nos dias 2, 4, 6 e 8 subsequentes, em cinco pontos distintos, sendo quatro localizados nas bordas da ferida e um na região central. O GL25 demonstrou os melhores resultados, com maior imunoexpressão do VEGF (Fator de crescimento endotelial vascular), maior quantidade de vasos sanguíneos e menor imunoexpressão da COX-2 Ciclooxigenase-2) quando comparado aos grupos GC e GL12,5. Com isso, foi possível concluir que a maior fluência, bem como a maior energia depositada no tecido foi mais eficaz em estimular o processo de cicatrização em queimaduras de terceiro grau em ratos. No terceiro estudo foi abordada a associação da membrana de celulose bacteriana pura com a LLLT (660 nm, 25J/cm2). Quatro grupos foram avaliados, GC (grupo controle), GM (grupo queimadura tratado com membrana de celulose bacteriana pura), GL (grupo queimadura tratado com laser 25J/cm2) e GM+L (grupo queimadura tratado com membrana de celulose bacteriana + LLLT). Os achados histológicos demonstraram que os grupos que receberam os tratamentos apresentaram melhores resultados no processo de cicatrização quando comparados ao grupo controle. O (GM+L) apresentou resultados similares aos achados no GL, evidenciando os efeitos estimuladores da angiogênese fornecidos pela luz laser. O GM apresentou avanço no processo de cicatrização, evidenciando a fase proliferativa. Assim, apesar da LLLT apresentar os efeitos pró-inflamatórios esperados, que modulam a fase inflamatória e favorecem a regeneração tecidual, a ação isolada da membrana de celulose bacteriana demonstrou vantagens no tratamento por apresentar características morfológicas teciduais compatíveis a um processo de cicatrização mais avançado.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Titanium and its alloys have been widely used in biomedical devices and components. The commercially pure titanium and Ti-6Al-4V (Ti64) are the biomaterials most widely used for implants, due to its characteristics regarding corrosion resistance, biocompatibility and commercial production. However, in the case of the Ti64 alloy, aluminum and vanadium present problems associated with cytotoxic effects in tissues and adverse reactions such as Alzheimer's disease and other neuropathies. The β type Ti alloys used in orthopedic devices have excellent properties such as low density, high mechanical strength and outstanding corrosion resistance, besides being biocompatible. The β phase in Ti alloys is obtained by adding alloy elements such as Nb, Ta, Zr and Mo. The coatings in form of thin films made by magnetron sputtering - MS have been successfully employed for the surface treatment of metallic biomaterials for ‘applications in the medical industry, with the advantage that low dimensionality coating does not alter the structural properties of the prosthesis to be implanted, thereby allowing improvement of their surface properties and therefore the use in the human body. A new class of Ti alloys employs niobium as a stabilizer of the β phase. The Ti-Nb binary alloys are promising candidates for biomedical applications. Therefore, an interesting option to adjust the surface feature is the thin film technology. Thus, in this dissertation, nanostructured thin films were produced by sputtering on the surface of stainless steel AISI 316L, with the purpose of analyzing the influence of niobium content on the behavior of the films. The produced films were mechanically, morphologically, crystallographically, chemically and electrochemically characterized, presenting the Ti-β phase for all the concentrations along with good mechanical properties and corrosion resistance for its potential use in the manufacture of medical implantation devices. O titânio as suas ligas têm sido amplamente utilizadas em dispositivos e componentes biomédicos. As ligas de Ti tipo β usadas em dispositivos ortopédicos possuem excelentes propriedades, tais como baixa densidade, elevada resistência mecânica e excepcional resistência à corrosão, além de apresentar biocompatibilidade. A fase β nas ligas de Ti é obtida com a adição de elementos de liga, tais como Nb, Ta, Zr e Mo. Os recobrimentos duros na forma de filmes finos, feitos por técnicas de pulverização catódica (sputtering) e, especificamente, por pulverização magneto-catódica (magnetron sputtering - MS), têm sido empregados com sucesso no tratamento superficial de biomateriais metálicos para aplicações na indústria médica, com a vantagem que a baixa dimensionalidade do recobrimento não altera as propriedades estruturais da prótese a ser implantada, permitindo o aprimoramento das suas propriedades de superfície e, consequentemente, o uso no corpo humano,. Uma nova classe de ligas de Ti emprega o nióbio como estabilizador da fase β e as ligas binárias Ti-Nb são candidatas promissoras para aplicações biomédicas. Portanto, uma opção interessante para ajustar a funcionalidade da superfície é a tecnologia de filmes finos. Assim, na presente dissertação, filmes finos nanoestruturados foram produzidos por pulverização catódica sobre a superfície do aço inoxidável AISI 316L, com a finalidade de se analisar a influência do teor de nióbio sobre o comportamento dos filmes. Os filmes produzidos foram caracterizados mecânica, morfológica, cristalográfica, química e eletroquimicamente apresentando a fase Ti-β para todas a concentrações junto com ótimas propriedades mecânicas e de resistência a corrosão para seu potencial uso na fabricação de dispositivos de implantação medica.

Financiadora de Estudos e Projetos The growing demand for increasingly resistant and biocompatible with the human body implantable materials, has led to an increase in demand for new metallic biomaterials. Some materials, such as titanium and its alloys, especially the Ti-6Al-4V, are widely used in the manufacture of orthopedic implants due to their excellent biocompatibility, high corrosion resistance and low density. However, the characteristics of these materials are not considered optimal, mainly because they have a high value of the elastic modulus when compared to the human bone. Include, that in the last decade studies have revealed diseases associated with elements such as Al and V, present in the alloy Ti-6Al-4V. Thus, it have looked for alternatives to the alloys used as biomaterials, still having one common element titanium, but having no toxic elements such as 𝛽 type titanium alloys, formed by non-toxic elements such as Nb, Ta, Zr, Mo and Sn has shown that lower values of modulus, greater fatigue resistance and corrosion resistance, exhibiting excellent biocompatibility. Accordingly, the alloys formed by Ti-Ta become promising candidates as biomaterials, since it has been observed that the content of Ta affects the value of the elastic modulus. For some compositions of this alloy, lower modulus values of this alloys that are currently used in biomedical applications were observed. However, the alloys formed by Ti-Ta still have properties that have been little studied. Thereby, the objectives of this master s project consist in getting the alloy Ti-40Ta and its characterization by means of the technique of mechanical spectroscopy, as of its elements that compose the alloy. The technique of mechanical spectroscopy to be non-destructive, it is widely used for providing the anelastic spectrum (oscillation frequency and internal friction as a function of temperature) is considered sensitive to phase transitions and dynamic processes, which are essential for understanding the structural changes occurring in these materials. This study was determined the dynamic elastic modulus for the pure Ti and Ta elements, and the Ti-40Ta through flexural vibrations. The elastic modulus found for the alloy at room temperature was (71 ± 5) GPa, which is in accordance with results available in the literature. The value of modulus of the alloy is lower when compared to the commercial biomedical alloys and is closer to that of human bone, which makes the alloy Ti-40Ta a potential candidate to be used in biomedical applications. A crescente demanda por materiais implantáveis cada vez mais resistentes e biocompatíveis com o organismo humano, tem levado a um aumento na procura por novos biomateriais metálicos. Alguns materiais, como o titânio e suas ligas, com destaque para a liga Ti-6Al-4V, são largamente utilizados na fabricação de implantes ortopédicos devido as suas excelentes características como biocompatibilidade, alta resistência à corrosão e baixa densidade. Entretanto, as características desses materiais ainda não são consideradas ideais, principalmente porque apresentam um alto valor do módulo de elasticidade quando comparado com o osso humano. Cabe mencionar, que na última década estudos revelaram doenças associadas a elementos como o Al e V, presentes na liga Ti-6Al-4V. Desta forma, busca-se alternativas às ligas empregadas como biomateriais, ainda contendo como elemento principal o titânio, mas que não possuam elementos tóxicos. Estudos recentes mostram que as ligas de titânio tipo 𝛽, formadas por elementos não tóxicos como Nb, Ta, Zr, Mo e Sn, tem apresentado valores mais baixos módulo de elasticidade, maior resistência à fadiga e maior resistência à corrosão, além de exibir uma excelente biocompatibilidade. Neste sentido, as ligas formadas por Ti-Ta tornaram-se candidatas promissoras como biomateriais, uma vez que, foi observado que o teor de Ta afeta o valor do módulo de elasticidade. Para algumas composições, desta liga, foram observados valores de módulo inferiores as ligas de Ti que atualmente são empregadas em aplicações biomédicas. No entanto, as ligas formadas por Ti-Ta ainda possuem propriedades pouco estudadas. Deste modo, os objetivos deste projeto de mestrado consistem na obtenção da liga Ti-40Ta e na sua caracterização por meio da técnica de espectroscopia mecânica, bem como a de cada elemento que compõem a liga. A técnica de espectroscopia mecânica, por ser não destrutiva, é amplamente usada por fornecer o espectro anelástico (frequência de oscilação e atrito interno em função da temperatura), sendo considerada sensível a transições de fase e a processos dinâmicos, que são essenciais para compreender as alterações estruturais que ocorrem nestes materiais. Neste estudo, determinou-se o módulo de elasticidade dinâmico para os elementos puros, Ti e Ta, e para a liga Ti-40Ta por meio das vibrações flexurais. O módulo de elasticidade encontrado para a liga, em temperatura ambiente, foi de (71 ± 5) GPa, estando em concordância com os resultados disponíveis na literatura. O valor de módulo da liga é menor quando comparado ao das ligas biomédicas comerciais e está mais próximo a do osso humano, o que a torna a liga Ti-40Ta uma potencial candidata a ser empregada em aplicações biomédicas.

Financiadora de Estudos e Projetos In recent decades the study of β-Titanium alloys are attracting the interest to the biomaterials science community in general, since have improved properties as compared with current commercial biomedical alloys which present problems of both mechanical and chemical compatibility. In this sense, the determination and optimization of the mechanical properties, in particular of the elastic modulus, through of control the phases present that are of great importance. In this study was determined the dynamic elastic modulus (E), their relative variation ( ΔE/E) and internal friction (Q-1) as function of temperature by mechanical spectroscopy technique, being that the information provided by these parameters, associated with complementary characterization techniques and theoretical parameters of the literature provided relevant information on the phases stability in some alloys of the Ti-Nb-Zr and Ti- Nb-systems. Thus, complex anelastic relaxation processes were observed which through cyclic heat treatment and aging was possible to dissociate into their component of phase transformations, which highlighted in the temperature range between 300 K and 700 K the sequence β → β + ω → β + ω + α → β + α, and once these transformations are developed, in a joint manner are also present relaxation processes that include interactions of elements containing alloys with interstitial atoms. At low temperature (130 K-300 K), a process of relaxation was observed, which may be related to processes such as β → ω (athermic) transformation and/or H-O interactions. However by the behavior of the elastic modulus this process may be linked in part to the reverse martensitic transformation β→α" being possible to identify Ms and Af temperatures. In addition was characterized a low modulus of elasticity, yielding values between 67 and 54 GPa, which are related to the greater stability of the β phase, being these suitable values regarding the mechanical compatibility as compared with commercial alloys used as biomaterials. Nas últimas décadas, o estudo de ligas de titânio do tipo β tem despertado o interesse da comunidade científica na área de biomateriais por apresentarem propriedades superiores se comparadas com as atuais ligas biomédicas comerciais, uma vez que, estas últimas apresentam problemas de compatibilidade tanto mecânica como química. Neste sentido, a determinação e otimização das propriedades mecânicas, principalmente através do controle das fases presentes são de grande importância, em especial objetivando obter o módulo de elasticidade próximo ao do osso humano (10-30 GPa). Assim, neste trabalho foram determinados, o módulo de elasticidade dinâmico (E), sua variação relativa (ΔE/E) e o atrito interno (Q-1) em função da temperatura, por meio da técnica de espectroscopia mecânica. A informação proporcionada por estas grandezas, associada a técnicas de caraterização complementares e a parâmetros teóricos da literatura, forneceram informações relevantes sobre a estabilidade das fases em algumas ligas de Ti-β dos sistemas Ti-Nb-Zr e Ti-Nb-Fe. Desta forma, processos de relaxação anelástica complexos foram observados, sendo que, através de tratamentos cíclicos e de envelhecimento foi possível dissociá-los em suas componentes de transformações de fase. Nestes espectros foi evidenciada, na faixa de temperatura entre 300 K e 700 K, a sequência de transformações β→β+ω→β+ω+α→β+α e, uma vez que, estas transformações se desenvolvem, de maneira conjunta, estão presentes processos de relaxação que incluem interações dos elementos que contém as ligas com átomos intersticiais. Em baixa temperatura (130 K a 300 K) foi observado um processo de relaxação, que pode estar relacionado a transformações β→ω (atérmica) e/ou interações H-O, no entanto, devido ao comportamento do módulo de elasticidade este processo pode estar associado em parte à transformação martensitíca reversa β→α , sendo possível identificar as temperaturas Ms e Af. Por outro lado, foi caracterizado um baixo módulo de elasticidade, obtendo-se valores entre 67 e 54 GPa, que estão relacionados com a maior estabilidade da fase β. Estes valores são adequados quanto a compatibilidade mecânica se comparados com as ligas comerciais empregadas como biomateriais.

Financiadora de Estudos e Projetos The drug delivery systems (DDS) shows several advantages when compared with traditional release systems, such as allowing the employment of lower plasmatic concentrations of drug, having greater efficiency, and minimizing side effects. The improvement of drug delivery depends strictly on the choice of an adequate support allowing to effectively controlling the drug release. All systems use a physical or chemical barrier that control the speedy of release and ensure the desired doses. In this sense, the use of biopolymers and some inorganic hybrid materials as a solid support, such as layered doubles hydroxides (LDH), is of great interest, due to biocompatibility and biodegradability. In this study a series of distinct bionanocomposites were developed and their properties and potential to be used as drug delivery systems explored, creating complexes with high applicability. Gastroresistant and mucoadhesive chitosan-pectin beads for mesalazine release were synthesized in pure form or intercalated LDH compounds, aiming to simulate the in vivo conditions. Another bionanocomposite was also synthesized to be used as a drug carrier consisting of a blend of alginate polysaccharide and magnetic and graphite nanoparticles, in two different pharmaceutical forms: beads and films. This work evaluated the efficacy of these new matrices when the associate drug is previously immobilized on a LDH-based inorganic solid. The compositional and structural characterizations of all these bionanocomposites allowed to conclude that there was an intercalation of the drugs between the LDH layers were satisfactorily, suggesting a compatibility of the system. The physical properties of the beads and films, such as water uptake, encapsulation efficiency, control release, and mechanical properties, were improved when hybridized with the nanoparticles. These results indicate that the bionanocomposites synthesized are promising to further use in drug delivery systems and other substances, exhibiting high applicability in several areas, from biomedicine to agriculture, for example, in the control of fertilizer or herbicides release. Os sistemas de liberação controlada de fármacos apresentam uma série de vantagens em relação aos sistemas de liberação tradicionais, como permitir o uso da droga em menores concentrações plasmáticas, maior eficiência e a minimização de efeitos colaterais. A melhora no desenvolvimento de liberação controlada de fármacos depende estritamente da escolha de um suporte adequado capaz de controlar a liberação da droga de forma eficaz. Todas as formulações de sistemas de liberação controlada utilizam uma "barreira" física ou química, que controla a velocidade de liberação e assegura a dose desejada. Neste sentido, a utilização de biopolímeros e de certos materiais híbridos inorgânicos, tal como os hidróxidos duplos lamelares (HDL) como um suporte sólido, são de grande interesse devido às suas propriedades de biocompatibilidade e biodegradabilidade. Neste trabalho foram desenvolvidos uma série de diferentes bionanocompósitos e seu potencial para a liberação controlada de fármacos foi explorado, através de uma nova abordagem, criando sistemas com elevada aplicabilidade. Foram sintetizadas microesferas à base de quitosana/pectina gastrorresistentes e mucoadesivas para liberação de 5-Aminosalicilato em sua forma pura ou em compostos de intercalação com HDL, visando uma liberação in vitro que simulasse as condições in vivo. Outros bionanocompósitos foram sintetizados, através da associação entre o polissacarídeo alginato e nanopartículas de grafite magnético, estudo pioneiro da matriz biohíbrida magnética, a fim de ser utilizada como carreadora de fármaco em dois novos sistemas: de microesferas e de películas. Este estudo avaliou a eficácia dessas novas matrizes quando se associam fármacos previamente imobilizados em HDL. As caracterizações composicionais e estruturais de todos os novos bionanocompósitos sintetizados permitiram inferir que os fármacos foram intercalados satisfatoriamente por entre as lâminas do HDL, e ainda, que os sistemas eram compatíveis entre si. As propriedades físicas das microesferas e películas tais como absorção de água, eficiência de encapsulação e de liberação controlada, juntamente com as propriedades mecânicas, foram melhoradas quando compostas por matrizes híbridas. Tais resultados apontam que os bionanocompósitos sintetizados são promissores como futuros sistemas de liberação controlada de fármacos e outras substâncias, podendo ter elevada aplicabilidade em diversos setores, desde a área biomédica até a agricultura, por exemplo, na liberação controlada de fertilizantes e herbicidas.

Financiadora de Estudos e Projetos In order to minimize the side effects of chemotherapy concurrently with the enhancement of its therapeutic action is to use it on devices that enable a controlled drug release, by vectors, such as polymeric microspheres, which act as a drug carrier, modifying its distribution pattern in the organism. Paclitaxel ((Taxol®) is a drug used primarily in the treatment of ovarian, breast, lung and bladder cancer. Due to its antimitotic and antiproliferative action, there is a potential interest in cancer therapy. However, the success of this clinical application is limited to low solubility in water and toxic action. The objective of this study was to obtain and characterize physic-chemically the bioresorbable and biocompatible copolymer poly (L-co-D, L lactic acid) (PLDLA) microspheres encapsulating the paclitaxel chemotherapy. The simple emulsion technique allowed to obtain spherical microspheres, verified by scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). The average size of the microspheres PLDA pure and containing paclitaxel were, respectively, 10.3 μm ± 1.7 and 12.7 μm ± 1.3, obtained by the technique of laser light scattering (LLS). Moreover the essay of differential scanning calorimetry (DSC) suggests that the drug paclitaxel is homogeneously dispersed in the microspheres PLDLA. The encapsulation efficiency of the microspheres PLDLA paclitaxel was 98.0% ± 0.3, obtained by high performance liquid chromatography (HPLC). The in vitro release study performed on HPLC showed initial burst release followed by a slower release, which characterizes large diameter distribution systems. PLDLA microspheres released 90% ± 4.0 of the drug paclitaxel up to 30th day of study while the degradation process occurred. Thus, the microspheres obtained PLDLA devices are promising as carriers of paclitaxel, with potential for future applications in drug delivery systems. Uma forma de minimizar os efeitos colaterais de quimioterápicos concomitantemente ao processo de potencialização de sua ação teraupêutica é empregá-los em dispositivos de liberação controlada de drogas, por meio de veículos, como microesferas poliméricas, que agem como carreadores de fármacos, modificando seu perfil de distribuição no organismo. O paclitaxel (Taxol®) é um quimioterápico utilizado principalmente no tratamento do câncer de ovário, mama, pulmão e bexiga. Devido à sua relevante ação antimitótica e antiproliferativa, existe potencial interesse de seu uso na terapia do câncer, porém o sucesso de sua aplicação clínica é limitado devido sua baixa solubilidade em água e sua ação tóxica. O objetivo desse estudo foi o de obter e caracterizar, físico-quimicamente, microesferas do copolímero biorreabsorvível e biocompatível poli(L-co-D,L ácido láctico) (PLDLA) encapsulando o quimioterápico paclitaxel. A técnica de simples emulsão permitiu a obtenção de microesferas na forma esférica, verificado por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia de força atômica (AFM). O tamanho médio das microesferas de PLDLA puro e contendo paclitaxel, foi, respectivamente, de 10,3μm±1,7 e 12,7μm±1,3, obtidos pela técnica de espalhamento de luz laser (LLS). Já o ensaio de calorimetria diferencial exploratória (DSC), sugere que o fármaco paclitaxel está disperso de forma homogênea nas microesferas de PLDLA. A eficiência de encapsulação do paclitaxel nas microesferas de PLDLA foi de 98,0%±0,3, obtidos pela cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC). O estudo de liberação do fármaco in vitro realizado no HPLC apresentou liberação inicial em explosão, seguida de uma liberação mais lenta, características de microesferas que apresentam diâmetros variados. As microesferas de PLDLA liberaram 90%±4,0 do fármaco paclitaxel até o 30° dia de estudo enquanto se degradavam. Assim, as microesferas de PLDLA obtidas são dispositivos promissores como carreadores do paclitaxel, com potencial para futura aplicação em sistemas de liberação de fármacos.

Financiadora de Estudos e Projetos Properties related to the increase in the durability of the implants and reliable and faster biological responses are commonly exploited in different areas of scientific research. The physical and chemical phenomena that occur on the surface of the bone/implant interface determine the biological responses following the implantation of biomaterials and therefore are critical to the effectiveness of the process of osseointegration. This work involved the growth and characterization of nanostructured thin films produced by sputtering of TiO2, ZrO2, Nb2O5, and Zr/Ti/Nb on Si(111) and stainless steel substrates, and their subsequent coating with proteins (bovine serum albumin - BSA and fibronectin - Fn). The characterization techniques employed were: X-ray-photoelectron spectroscopy - XPS, atomic force microscopy AFM, time-of-flight secondary ion mass spectrometry - ToF-SIMS, energy-dispersive X-ray spectroscopy - EDS, and nanoindentation. All films showed low surface roughness, nanostructured s grains, and low elastic moduli. The protein adsorption analysis demonstrated that the Zr/Ti/Nb film deposited onto steel and heat-treated had the highest affinity for albumin and that TiO2 film had the highest affinity for fibronectin. All films demonstrated to be suitable for use as protective coating for metallic orthopedic implants Propriedades relacionadas ao aumento da durabilidade dos implantes e respostas biológicas mais rápidas e confiáveis são comumente exploradas em pesquisa científica de diferentes áreas. Os fenômenos físico-químicos que ocorrem na superfície da interface osso/implante determinam as respostas biológicas subsequentes à implantação do biomaterial e, portanto, são decisivos para a efetividade do processo de osseointegração. Este trabalho envolveu o crescimento e a caracterização de filmes finos nanoestruturados produzidos por pulverização catódica (sputtering) de TiO2, ZrO2, Nb2O5 e Zr/Ti/Nb sobre Si(111) e aço inoxidável, e seus posteriores recobrimentos com proteínas (albumina de soro bovino - BSA e fibronectina - Fn). As técnicas de caracterização empregadas foram: espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (X-ray-photoelectron spectroscopy - XPS), microscopia de força atômica (atomic force microscopy AFM), espectrometria de massa de íons secundários por tempo de vôo (time-of-flight secondary ion mass spectrometry - ToF-SIMS), espectroscopia de energia dispersiva de raios X (energy-dispersive X-ray spectroscopy - EDS) e nanoindentação. Todos os filmes apresentaram baixa rugosidade, grãos nanoestruturados e baixos módulos de elasticidade. A análise de adsorção de proteínas demonstrou que o filme de Zr/Ti/Nb tratado termicamente e depositado sobre aço apresentou a melhor afinidade com a albumina e o filme de TiO2 obteve a maior afinidade com a fibronectina. Todos os filmes analisados revelarem-se apropriadas para o uso como recobrimento protetor para implantes ortopédicos metálicos.

Universidade Federal de Minas Gerais The main objectives of this dissertation were to study the short (tensile and impact) and long-term (fatigue) mechanical behavior of nanocomposites of poly(ether-ether-ketone), PEEK, with nanohydroxyapatite, nHA, for application as biocompatible materials. First of all, a preliminary study was conducted to determine the influence of the addition of nHA in the rheological, thermal and dynamic mechanical properties of PEEK, in order to choose an optimal formulation for large-scale preparation. The chosen composition with 10wt% of nHA was prepared by melt mixing in a co-rotating twin screw extruder. The resulting structure and dispersion were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and rheological properties. Subsequently, the materials (PEEK and PEEK/nHA nanocomposite) were injection molded at 3 different conditions by varying the flow rate. The resulting morphologies were evaluated by polarized light optical microscopy (PLOM) and the degree of crystallinity of the samples was evaluated by differential scanning calorimetry (DSC) and wide angle X-ray scattering (WAXS). The mechanical properties of tensile, impact and fatigue of PEEK and nanocomposite were measured and correlated with the results of dynamic mechanical thermal analysis (DMTA) and the resulting morphology. It was found that the variation of the injection conditions did not change the materials properties significantly; however, the obtained long and short-term mechanical properties of the nanocomposite were within the range of cortical bone properties and, therefore, the nanocomposite can mechanically be used for medium load bearing implant applications, due to their limited modulus. Finally, tests with adult stem cells to determine in vitro biological response of the biomaterial were performed, which indicated that these cells proliferated faster in PEEK/nHA, indicating that the biological response is most favorable to the nanocomposite than to pure PEEK. Esta dissertação teve como principal objetivo estudar as propriedades mecânicas de curta (tração e impacto) e longa duração (fadiga) de um nanocompósito de poli(éter-éter-cetona), PEEK, com nanohidroxiapatita, nHA, para aplicação como material biocompatível. Primeiramente, foi realizado um estudo preliminar para determinar a influência da adição da nHA nas propriedades reológicas, térmicas e dinâmico-mecânicas do PEEK, com o objetivo de escolher uma formulação ideal para preparo em grande escala do nanocompósito. Em seguida, a composição escolhida com 10% em massa de nHA foi preparada via mistura no estado fundido em uma extrusora de rosca dupla co-rotacional. A estrutura resultante e a dispersão foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e por propriedades reológicas. Posteriormente, os materiais (PEEK/nHA e PEEK puro) foram moldados por injeção em 3 condições diferentes, variando-se a vazão. As morfologias obtidas foram avaliadas por microscopia ótica de luz polarizada (MOLP) e o grau de cristalinidade das amostras foi avaliado por calorimetria exploratória diferencial (DSC) e por difração de raios-X de alto ângulo (WAXS). As propriedades mecânicas de tração, impacto e fadiga do PEEK e do nanocompósito foram medidas e correlacionadas com os resultados de análise térmica dinâmicomecânica (DMTA) e com a morfologia resultante. Verificou-se que a variação nas condições de injeção não promoveram diferenças significativas nas propriedades dos materiais; no entanto, as propriedades mecânicas de curta e longa duração obtidas para o nanocompósito estavam dentro da faixa de propriedades do osso cortical sendo, portanto, o nanocompósito compatível mecanicamente para aplicações como implantes que não envolvam alto suporte de carga, devido à sua limitação de módulo elástico. Por fim, foram realizados testes com células-tronco adultas para determinar a resposta biológica in vitro do biomaterial produzido, os quais indicaram que a proliferação destas células ocorreu de forma mais rápida no PEEK/nHA, indicando que a resposta biológica é mais favorável ao nanocompósito do que ao PEEK puro.

Universidade Federal de Sao Carlos The researchrs conducted with implants are seek to improve the quality of products in order to reduce the waiting time after the surgery to undergo implants on chewing loads safely. To meet this expectation it must be considered that the body has a minimum time to perform the reactions that lead to osseous integration. This study was conducted to characterize the existing titanium oxide layer in commercial implants anodized (Vulcano Actives ®) and treated with acid (Master Porous ®) and compare with a non-commercial implant with ion deposition on the surface (Porous Nano ®). The study consisted of changing the surface morphologies of titanium implants to accelerate the process of osseous integration. In vitro analyses of surfaces were performed, as well as, (roughness, chemical composition, wettability) "in vivo" (indirect measure of osseointegration). The implants were inserted in rabbit s tibia and the rabbits were sacrificed 90 days after implantation. The composition of the passive film was analyzed by x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), RAMAM spectroscopy, electron microscopy and x-ray diffraction. The results showed that implants treated by anodizing there is predominance of anatase type of titanium oxide on the surface. The others surfaces of implants have very thin oxide and the characterization techniques available have not been able to identify the allotropic form of titanium oxide. The results of the tests showed that the higher value of roughness, the greater contact angle and removal torque of implants was reached at anodized surface implants. Surface treatments show that it is possible to reduce the time of activation of the implant with security, you can get a bone-implant interface with mechanical strength appropriate to support the oral critical forces in clinical situations, such as bone of low quality. Incubation of neutrophils in the different areas showed that in short time of interaction surface morphology is the most important feature, while at longer time chemical composition has a positive effect on cellular interaction. Spectrophotometry revealed that the adsorption of fibronectin (FN) in Porous surfaces and those Doped with Na and F is similar (80%). The association indexes of osteoblastics cells in the samples with and without FN and the values of radioactivity of samples suggest that the incorporation of FN is conclusive citocompatibility of surfaces. The surface coating of titanium with FN proved to be a great option for the treatment of dental implants to optimize and accelerate the process of osseointegration. As pesquisas realizadas com implantes procuram melhorar a qualidade dos produtos com o objetivo de reduzir o tempo de espera após a cirurgia para submeter os implantes às cargas mastigatórias com segurança. Para atender esta expectativa deve-se considerar que o organismo tem um tempo mínimo para realizar as reações que levam à osseointegração. O presente estudo foi realizado com o objetivo de caracterizar a camada de óxido de titânio existente em implantes comerciais anodizados (Vulcano Actives® ) e tratado com ácido (Master Porous®) e comparar com o implante não comercial com deposição de íons na superfície (Porous Nano®). O estudo consistiu em alterar as morfologias da superfície dos implantes de titânio para acelerar o processo de osseointegração. Foram feitas análises in vitro das superfícies (rugosidade, composição química, molhabilidade) e in vivo (medida indireta da osseointegração). Os implantes foram inseridos em tíbias de coelhos que foram sacrificados 90 dias após implantação. A composição do filme passivo foi analisada por espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS), espectroscopia RAMAM, microscopia eletrônica e difração de raios X. Os resultados mostraram que nas superfícies dos implantes tratados por anodização há predomínio do óxido de titânio do tipo anatase. As demais superfícies apresentam filmes de óxido com pequena espessura dificultando a caracterização e identificação da forma alotrópica do óxido de titânio. Os resultados dos ensaios mostraram que quanto maior o valor da rugosidade, maior o ângulo de contato e maior o torque de remoção da tíbia de coelhos. Os resultados mostram que é possível reduzir o tempo de ativação do implante com segurança, sendo possível obter uma interface osso-implante com resistência mecânica adequada para suportar as forças orais em situações clínicas críticas, como osso de baixa qualidade. A incubação de neutrófilos nas diferentes superfícies mostrou que em tempos curtos de interação (15 minutos) não foi possível identificar qual efeito é mais importante, a morfologia da superfície ou a composição química, enquanto em tempos maiores (60 minutos) a composição química apresentou um efeito positivo na interação celular. A espectrofotometria revelou que a adsorção da fibronectina (FN) nas superfícies Porous e dopada com Na e F apresentam comportamento semelhante (80%). Os índices de associação de células osteoblásticas nas amostras com e sem FN e os valores de radioatividade das amostras sugerem que a incorporação de FN é determinante na citocompatibilidade das superfícies. O recobrimento da superfície de titânio com FN mostrou ser uma ótima opção de tratamento dos implantes dentários para otimizar e acelerar o processo de osseointegração.

The search for biomaterials compatible with human bones is one of the most investigated topics in science today, due to its applications, not only as grafts, but as releasing drug agents, dermal fillers, among others. The present study describes a recent method for synthesis of apatites, which can be used in medical and dentistic applications for osteoconduction, bone formation, releasing of biological agents or fillers for alloys with other biocompatible ceramic material or not. The characterization of this material, the form of industrial scale production and overhead costs of production and sales are presented. The hydroxyapatite, a known biomaterial, was synthesized by polymeric precursors method. The characterization shows a mixture of phases with a β tricalcium phosphate phase, which is also considered a template for bone material and has distinct properties regarding speed and type of osseointegration. The characterizations performed in this material were X-ray diffraction, Infrared Spectroscopy, Raman Spectroscopy, Size Surface Area (BET) and Scanning Electron Microscopy (SEM). Since it was a research work oriented to industry, tests were also conducted for batch production of the material on industrial scale and the perspective of production costs was evaluated, comparing the projected sales with currently national and international products available on the market. In conclusion, the synthesis of a compatible material with the existing market is described in the chemical point of view, due to the fact it is a different material due to the mixture of phases, and due to the financial viability of large-scale production and comparing actual costs demand. A busca por biomateriais que sejam compatíveis com ossos humanos é um dos temas mais pesquisados atualmente, pois podem ser utilizados tanto como enxertos, próteses, quanto como liberadores de fármacos, preenchimento dérmico entre outros. Esse estudo descreve um método de síntese de apatitas que podem ser utilizadas na área médica e odontológica para osteocondução, preenchimento ósseo, liberação de fármacos ou cargas biológicas para ligas com outros materiais biocompatíveis cerâmicos, sua caracterização e escalonamento de produção em escala industrial, os custos gerais de produção e venda do produto. A hidroxipatita, conhecido biomaterial, foi sintetizada via técnica dos precursores poliméricos. A sua caracterização demonstrou uma mistura de fases com um tricálcio fosfato na fase β, que é considerado também um material ósseo condutor e que agrega propriedades distintas nos quesitos velocidade e tipo de osseointegração. As caracterizações realizadas do material foram a difração de raios X, Espectroscopia no Infra Vermelho, Espectroscopia Raman, Tamanho de Área Superficial (BET) e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). Por tratar-se de uma pesquisa voltada à indústria, também foram realizados testes de batelada para produção do material em escala industrial e uma estimativa de custos de produção e uma comparação de venda com produtos presentes atualmente no mercado nacional e internacional. Como conclusão, pôde-se descrever a síntese de um material compatível com os existentes no mercado do ponto de vista químico, por se tratar de um material diferenciado devido à mescla de fases de hidroxiapatita e tricálcio fosfato na fase β, e financeiro devido à viabilidade de produção em larga escala, comparando-se os custos atuais e demanda.

Não recebi financiamento Stainless steel orthopedic implants are still the most widely used in Brazil due to their lower cost. There is, however, a tendency to expand the use of special alloys such as titanium-based, due to clinical advantages that they present, notably the low modulus of elasticity and the best biocompatibility among the metallic biomaterials. The surface treatments aim to develop substrates suitable for bone growth, thus preventing the implantation of the prosthesis with PMMA cement, which results in an efficient mechanical fixing, but there is no biological interaction between implant and bone. There are several surface modification techniques, all of them improving at some level the process of osseointegration. However, researches have focused on biological aspects of the process and, despite the durability of the implant, there is currently no objective information in the literature about the influence of surface treatments on the mechanical behavior under cyclic stresses. The laser surface modification emerges as a promising alternative, since it permits precise control of parameters, regular surface development, induces reduced mechanical and thermal damage, and is known to promote osseointegration. The femtosecond laser, in particular, allows pulses of short duration (10-15s), reducing even more the damage caused by heat input. This study evaluated the influence of surface modification by femtosecond LASER in the fatigue resistance of Ti-6Al-4V alloy samples. S-N curves were determined for the reference samples and for the samples with modified surface. The topography developed and the fracture surfaces were analyzed by scanning electron microscopy. The femtosecond LASER has developed a regular surface with a bimodal distribution of microcolumns and ripples, and did not cause severe damage adjacent to the modified surface, however, has significantly reduced fatigue resistance. Os implantes ortopédicos de aço inoxidável ainda são – em razão do menor custo - os mais utilizados no Brasil, mas há uma tendência em se ampliar a utilização de ligas especiais, como as de titânio, devido às vantagens clínicas que apresentam, destacando-se o baixo módulo de elasticidade e a melhor biocompatibilidade dentre os biomateriais metálicos. Os tratamentos de superfície buscam desenvolver substratos adequados ao crescimento ósseo, evitando assim a implantação da prótese por cementação com PMMA, que resulta em uma eficiente fixação mecânica, porém não há interação biológica entre o implante e o osso. Existem diversas técnicas de modificação superficial, todas elas melhorando em algum nível o processo de osseointegração. Entretanto, as pesquisas têm se concentrado nos aspectos biológicos do processo e, a despeito da durabilidade do implante, não há atualmente na literatura informações objetivas sobre a influência destes tratamentos de superfície no comportamento mecânico sob esforços cíclicos. A modificação superficial por LASER surge como uma alternativa promissora, pois permite um controle preciso de parâmetros, oferece regularidade, induz reduzidos danos mecânicos e térmicos e conhecidamente promove a osseointegração. O LASER de femtosegundo, em especial, permite pulsos de curtíssima duração (10-15s), reduzindo ainda mais os danos decorrentes do aporte térmico. Este trabalho avaliou a influência da modificação superficial por LASER de femtosegundo na resistência à fadiga de corpos de prova da liga Ti-6Al-4V. Foram levantadas as curvas S-N para amostras de referência e com a superfície modificada. A topografia formada e as superfícies de fratura foram analisadas por microscopia eletrônica de varredura. O laser de femtosegundo desenvolveu uma superfície regular bimodal de microcolunas e ripples, não causou danos metalúrgicos severos nas adjacências da superfície, porém, reduziu significativamente a resistência à fadiga.

Universidade Federal de Sao Carlos Mg alloys have attracted attention as potential implant material because of their good mechanical properties, biocompatibility and biodegradation properties. However corrosion of these alloys causes intense release of hydrogen gas which is not desirable for biomedical applications. Zberg et. al. reported a significant reduction in hydrogen evolution in Mg-Zn-Ca glassy alloys due the increase of Zn without the formation of undesirable intermetallic phases. These glassy alloys showed great potential for deployment in a new generation of biodegradable implants. In this context the evaluation of the glass forming ability (GFA) of Mg-Zn-Ca alloys, in the Mg-rich composition corner is relevant. In the present work we studied Mg-rich compositions in the Mg-Zn-Ca system based on the topological instability criterion (min) combined with the average electronegativity difference (e) among the elements in the alloy. Bulk samples were produced by rapid cooling in a copper mold and ribbons were produced by melt-spinning technique. The microstructure, amorphous nature, thermal properties and chemical composition of samples were investigated by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), differential scanning calorimetry (DSC) and electron dispersive spectroscopy (EDS). Best results were observed in alloys with Ca content limited to 6 at%. Furthermore, the samples ewre subjected to oxidation and high change in composition. As ligas a base de magnésio têm recebido atenção especial para aplicação em materiais biomédicos, isso se deve as suas propriedades, como: resistência mecânica adequada, biocompatibilidade e biocorrosão. No entanto, a corrosão dessas ligas é acompanhada de uma intensa liberação de hidrogênio que é indesejável para a classe de matérias biomédicos. Zberg et al. mostraram uma significante diminuição da liberação de hidrogênio em ligas vítreas de Mg-Zn- Ca devido ao aumento no teor de zinco sem a formação de fases intermetálicas indesejáveis. Essas ligas mostraram um grande potencial de serem aplicadas em implantes biocorrosivos. Nesse contexto, o estudo da tendência de formação de fase amorfa (TFA) em ligas do sistema Mg-Zn-Ca ricas em magnésio torna-se interessante. Esse mestrado focou-se no estudo da TFA, utilizando uma combinação de dois critérios: da mínima instabilidade topológica (min) e da diferença de eletronegatividade média (e). Amostras em formato de cunha foram fabricadas por resfriamento rápido em molde de cobre e fitas foram elaboradas pela técnica de melt-spinning. A microestrutura, natureza amorfa, propriedades térmicas e composição química foram analisadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV), difração de raios X (DRX), calorimetria diferencial de varredura (DSC) e espectroscopia por dispersão de energia (EDS). Os melhores resultados, quanto a amorfização, foram das ligas com teor de cálcio de até 6%at., além disso, as amostras elaboradas experimentaram elevada oxidação e mudança de composição.

Universidade Federal de Minas Gerais Due to limited availability of autogenous bone and of the risks associated with the use of bone allografts, new synthetic materials have been developed in order to replace the bone tissue lost due to trauma or pathological process. The bioactive materials in the form of scaffolds are synthetic materials promising for bone grafting. Several studies suggest that these biomaterials are able to stimulate the proliferation of osteoblasts and osteogenesis at the site of fracture. However, the feasibility of these biomaterials to a clinical application requires the investigation of their biocompatibility. In this context, this study aimed to evaluate the biocompatibility of a scaffold synthesized from a fully crystallized glass-ceramic bioactive quaternary system P2O5-Na2O-CaO-SiO2 (Biosilicate®), through histopathological analysis of the biomaterial implanted in the subcutaneous tissue of rats and the cytotoxicity and genotoxicity analysis of the biomaterial in cell cultures (OSTEO-1 and L929 cells). Histopathologic analysis of the biomaterial was performed using 65 Wistar rats male (210- 260 g), randomly divided into two groups, Control group (n = 3 animals per period) and Biosilicate group (n = 10 animals per period), evaluated at 7, 15, 30, 45 and 60 days after surgery. The animals of Biosilicate group underwent surgery and received a subcutaneous implant of Biosilicate® scaffolds. The animals of Control group underwent surgery but did not receive any biomaterial implant. The cytotoxicity analysis was performed to assess the effect of products leaching from Biosilicate® scaffolds (extracts) on cellular proliferation (MTT). The extracts were evaluated in various concentrations (100, 50, 25 and 12.5%) in experimental periods of 24, 72 and 120 hours in two cell lines (OSTEO-1 and L929). The genotoxicity analysis (comet assay) was performed to assess DNA damage in cells OSTEO-1 and L929 grown in contact with the Biosilicate® scaffolds in different periods of 24, 72 and 96 horas. The statistical analysis of parametrics data was performed by analysis of variance (ANOVA) followed by Tukey post-hoc and the analysis of nonparametrics data was performed by Mann-Whitney test. Both statistical tests were performed with a significance level of 5%. The results of histopathological analysis showed that the animals of the Control group did not present inflammation process, necrotic tissue and fibrous tissue. The animals of Biosilicato group showed a granulation tissue after 7 days of implantation. In the other periods (15, 30, 45 and 60 days) a chronic inflammation process of foreign body, marked by the presence of fibrous tissue and giant cells was observed. No infection or necrotic tissue was observed in any animal. In the analysis of cytotoxicity, it was observed that extracts of Biosilicato® scaffolds did not have any significant effect in reducing cell proliferation OSTEO-1 and L929, and that lower concentrations of the extracts (12.5 and 25%) stimulated the proliferation of both cells in periods of 72 and 120 hours. The analysis of genotoxicity showed that the Biosilicate® scaffolds did not induce DNA damage in the cell lines tested in all experimental periods. The results of this study showed that the Biosilicate® scaffolds presented biocompatibility in vivo and in vitro. Devido a limitada disponibilidade de osso autógeno e dos riscos associados ao uso de osso alógeno, novos materiais sintéticos vêm sendo desenvolvidos com o objetivo de substituir o tecido ósseo perdido em decorrência de traumatismos ou processos patológicos. Os materiais bioativos na forma de scaffolds são materiais sintéticos promissores para enxertia óssea. Vários estudos sugerem que estes biomateriais são capazes de estimular a proliferação de osteoblastos e a osteogênese no local da fratura. No entanto, a viabilização destes biomateriais a uma aplicação clínica requer o emprego de testes que avaliem a sua biocompatibilidade. Dentro deste contexto, o presente estudo teve como objetivo avaliar a biocompatibilidade do scaffold sintetizado a partir de uma vitrocerâmica bioativa totalmente cristalizada do sistema quaternário P2O5-Na2O-CaO-SiO2 (Biosilicato®), por meio da análise histopatológica do biomaterial implantado no tecido subcutâneo de ratos, e pelas análises de citotoxicidade e genotoxicidade do biomaterial em cultura de células da linhagem OSTEO-1 e L929. A análise histopatológica do biomaterial foi realizada utilizando 65 ratos machos da linhagem Wistar (210-260 g), distribuídos aleatoriamente em dois grupos, Controle (n = 3 animais por período) e Biosilicato (n = 10 animais por período), avaliados em períodos distintos de 7, 15, 30, 45 e 60 dias. Os animais do grupo Biosilicato foram submetidos a uma cirurgia no tecido subcutâneo e receberam um implante de scaffold de Biosilicato®. Os animais do grupo Controle foram submetidos à mesma cirurgia, mas não receberam o implante do biomaterial. A análise de citotoxicidade foi realizada para avaliar os efeitos dos produtos da lixiviação dos scaffolds de Biosilicato® (extratos) na proliferação celular pelo ensaio MTT. Os extratos foram avaliados em várias concentrações (100, 50, 25 e 12,5%) em períodos experimentais de 24, 72 e 120 horas, utilizando duas linhagens celulares (OSTEO-1 e L929). A análise de genotoxicidade (ensaio cometa) foi realizada para avaliar os danos no DNA de células OSTEO-1 e L929 cultivadas em contato com scaffolds de Biosilicato® em períodos distintos de 24, 72 e 96 horas. A análise estatística dos dados paramétricos foi realizada pelo teste de variância (ANOVA), seguido do post-hoc de Tukey, e a análise dos dados não paramétricos foi realizada pelo teste de Mann-Whitney. Ambos os testes estatísticos foram realizados com nível de significância de 5%. Os resultados da análise histopatológica demonstraram que os animais do grupo Controle não apresentaram processo inflamatório, tecido necrótico ou tecido fibroso. Já os animais do grupo Biosilicato apresentaram um tecido de granulação após 7 dias de implantação e nos demais períodos (15, 30, 45 e 60 dias) apresentaram um processo inflamatório crônico de corpo estranho, marcado pela presença de tecido fibroso e células gigantes multinucleadas. Em todos os animais avaliados não foi evidenciado foco de infecção ou tecido necrótico. Na análise de citotoxicidade foi observado que os extratos dos scaffolds de Biosilicato® não possuem efeito significativo na redução da proliferação de células OSTEO-1 e L929, e que as menores concentrações dos extratos (12,5 e 25%) estimularam a proliferação de ambas às células nos períodos de 72 e 120 horas. Na análise de genotoxicidade foi evidenciado que os scaffolds de Biosilicato® não induzem danos do DNA de células de ambas às linhagens testadas em todos os períodos experimentais. Os resultados obtidos neste estudo demonstraram que os scaffolds de Biosilicato® apresentaram biocompatibilidade em experimentos in vivo e in vitro.

Financiadora de Estudos e Projetos Several resources have been studied in order to accelerate the process of bone repair. Among these resources, bioactive materials and low level laser therapy (LLLT) have gained prominence. Several studies suggest that both resources are able of stimulating osteoblast proliferation and osteogenesis at the fracture site, promoting a greater deposition of bone mass, which is fundamental for the consolidation process. Within this context, this project aimed to assess the effects of LLLT (_ = 830nm), with the fluencies of 120J/cm ² and scaffold Biosilicate®, used associated or not, on consolidation of induced tibial bone defects in the rats. In this study it was used 40 male Wistar rats (3 months ± 250g) divided into four groups (with 10 animals each): group control bone defect without any treatment (GC), group bone defect irradiated with LLLT 830nm (GL); group bone defect treated with implantation of scaffolds Biosilicate ® (GB); group bone defect treated with implantation of scaffolds Biosilicate ® and LLLT 830nm (GBL). The animals were submitted to laser irradiation (Ga-As-Al, 830nm, 100mW) at a single point on the bone defect for eight sessions, on alternate days. The euthanasia of animals occurred at day 15 after surgery, 24 hours after the last laser treatment session. Morphological analysis revealed that the laser group, showed better tissue organization in relation to other groups. Furthermore, morphometric analysis revealed that the irradiated animals showed a higher amount of newly formed bone compared to the other groups. The expression of COX-2 and RUNX-2/CBFA-1 were higher in GB and GBL groups. Also, biomechanical analysis revealed no statistical differences among experimental groups. From the results obtained in this study, it is possible to suggest that both treatments had osteogenic potential 15 days after surgery, but the LLLT was more effective in bone repair when compared to the biomaterials, or even when the two treatment modalities were associated. Vários recursos têm sido estudados com o intuito de acelerar o processo de reparação óssea. Dentre esses recursos, os materiais bioativos e a Terapia Laser de Baixa Intensidade (LLLT) vêm se destacando, vários estudos sugerem que ambos os recursos são capazes de estimular a proliferação de osteoblastos e a osteogênese no local da fratura, promovendo maior deposição de massa óssea, fundamental para o processo de consolidação. Dentro deste contexto, esse projeto teve como objetivo verificar os efeitos da LLLT (_ = 830nm), com fluência de 120J/cm² e do scaffold de Biosilicato®, utilizados independentemente ou associados na consolidação de defeitos ósseos induzidos em tíbias de ratos. Foram utilizados 40 ratos machos da linhagem Wistar (3 meses de idade ± 250 gramas) distribuídos em 4 grupos experimentais com 10 animais cada: grupo controle com defeito ósseo e sem tratamento (GC); grupo defeito ósseo tratado com Laser 830nm (GL); grupo defeito ósseo tratado com implante de scaffolds de Biosilicato® (GB); grupo defeito ósseo tratado com implante de scaffolds de Biosilicato® e Laser 830nm (GBL). Os animais foram submetidos a irradiação Laser (Ga-As-Al, 830nm, 100mW) em um único ponto sobre o defeito ósseo por oito sessões de tratamento, em dias alternados. A eutanásia dos animais aconteceu no 15º dia após a cirurgia, 24 horas após a última sessão de tratamento Laser. A análise morfológica revelou que o grupo Laser, apresentou melhor organização tecidual em relação os demais grupos experimentais. Além disso, a análise morfométrica evidenciou uma maior quantidade de osso neoformado no grupo tratado com Laser comparado aos animais dos demais grupos. A expressão à COX-2 e a RUNX-2/CBFA-1 mostrou-se mais intensa nos grupos GB e GBL e na análise biomecânica não houve diferença estatística entre os grupos experimentais. A partir dos resultados obtidos neste estudo, pode-se sugerir que ambos os tratamentos apresentaram potencial osteogênico 15 dias após a cirurgia, porém a Terapia Laser de Baixa Intensidade foi mais eficaz no processo de reparo ósseo, quando comparado ao biomaterial, ou mesmo quando as duas modalidades de tratamento foram associadas.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) In the present time the titanium and their alloys are begin widely studied in the field of biomaterials because of its suitable mechanical properties such as low elastic modulus, excellent corrosion resistance and high biocompatibility. Recent studies are being focused on alloys free of toxic elements as Al and V, which are contained in the alloy Ti-6Al-4V that is alloy generally used in biomedical implants, since biocompatibility studies revealed adverse effects on body in long-term implants. Ti-13Nb-13Zr alloy (TNZ) is one of these new alloys and is part of the present study. Were analyzed two samples of TNZ whit changes in their final processing, begin this labeled by TNZ + WQ (sample heat treatment to 900oC and water quenching) and TNZ + WQ + 400oC/3h (sample TNZ + WQ whit subsequent aging treatment to 400oC for 3hours), in the condition as received. For study the effect of heat treatment on physical properties besides to eliminate the internal stresses in the material, these samples were submitted to additional heat treatment to 900oC/30min. Thus, measures X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) revealed the presence of phases a and b of structure hexagonal compact (HCP) and body-centered cubic (BCC) respectively, with a microstructure martensitic, typical of this alloy. The sample TNZ + WQ, on condition as received, phase a presented as only phase, however, after heat treatment (900oC/30min) were observed precipitates of phase b besides changes in the microstructure and density. The sample TNZ + WQ +400oC/3h in the condition as received showed the presence of phases a and b as expected, since after the aging treatment phase b is present in the form of precipitates. After treatment were observed changes in the microstructure, begin obtained a martensitic microstructure better defined. Mechanical spectroscopy measurements were performed using: decay free elastometer (flexural mode) and inverted torsion pendulum type Kê (torsional mode), and the spectra of anelastic relaxation not revealed the presence of relaxation mechanisms due to interstitial or substitutional solute atoms. This behavior was attributed to the presence of zirconium in the alloy which affects the distribution of interstitial solutes in solid solution and decreases the Zr-O pairs, processes of relaxation are obtained only when the stoichiometric rate of oxygen is saturated. About elastic modulus of the samples, was showed that heat treatment to reduce internal stress resulted in an increase in elastic modulus of the samples which was attributable to the presence of phase b O titânio e suas ligas na atualidade estão sendo amplamente estudados na área dos biomateriais, devido as suas apropriadas propriedades mecânicas, como baixo módulo de elasticidade, excelente resistência a corrosão, e alta biocompatibilidade. Seus últimos estudos estão sendo focados em ligas que não possuam elementos tóxicos como Al e V, os quais estão presentes na liga Ti-6Al-4V que é a liga mais utilizada para implantes biomédicos, já que estudos de biocompatibilidade revelaram efeitos adversos no organismo em implantes a longo prazo. A liga Ti-13Nb-13Zr (TNZ) é uma destas novas ligas e faz parte do presente estudo. Assim, foram analisadas amostras de TNZ que apresentavam mudanças em seu processamento final, sendo estas TNZ+WQ (amostra recristalizada a 900oC com resfriamento a água) e TNZ+WQ+400oC/3h (após recristalização foi envelhecida a 400oC durante 3horas), isto na condição como recebidas. Para estudar o efeito do tratamento térmico em suas propriedades físicas alem de eliminar as tensões internas no material estas amostras foram submetidas a um tratamento térmico a 900oC/30min. Deste modo, medidas de difração de raios-X (DRX) e microscopia eletrônica de varredura (MEV) revelaram a presença das fases a e b de estrutura hexagonal compacta (HC) e cúbica de corpo centrado (CCC) respectivamente, com uma microestrutura martensítica, típica desta liga. A amostra TNZ+WQ, na condição como recebida, apresentou a fase a como única fase presente, mas após o tratamento térmico (900oC/30min) a fase b precipitou nesta amostra apresentando mudanças a nível microestrutural e na densidade. A amostra TNZ+WQ+400oC/3h na condição como recebida apresentou as duas fases a e b como era esperado, pois após do tratamento de envelhecimento a fase b se faz presente na forma de precipitados. Após o tratamento térmico houve mudanças na microestrutura, obtendo-se uma estrutura martensítica mais definida. As técnicas de espectroscopia mecânica utilizadas foram: elastômetro de decaimento livre (modo flexural) e pêndulo de torção invertido tipo Kê (modo torsional), e os espectros obtidos de relaxação anelástica não revelaram a presença de mecanismos de relaxação devido a átomos de solutos intersticiais ou substitucionais. Isto pode ser atribuído à presença de zircônio na liga que afeta a distribuição de solutos intersticiais em solução sólida e diminuem os pares Zr-O, assim, os processos de relaxação só são obtidos quando a taxa estequiométrica de oxigênio é saturada. Em relação ao módulo elástico das amostras foi mostrado que o tratamento feito para diminuir as tensões internas deu como resultado um aumento no módulo elástico das amostras o qual foi atribuído á presença da fase b

Financiadora de Estudos e Projetos In the present work, scaffolds were obtained through the controlled sintering of Biosilicate®. This material possesses good mechanical properties and its bioactivity level is comparable to that of bioglasses, making it an interesting candidate for use as a scaffold to stimulate bone tissue regeneration. Previous studies have found that a secondary crystalline phase is formed when Biosilicate® is heat-treated at high temperatures (T > 700°C). The in vitro bioactivity tests revealed that the presence of the secondary phase is not harmful, but instead enhances the bioactivity of Biosilicate® to a level comparable to that of Bioglass - 45S5. Two different techniques were used in the synthesis of scaffolds: (1) the addition of porogen agents, and (2) the replication method. Five porogen agents were tested and compared: naphthalene, cassava starch, corn starch, polyethylene beads and carbon black. The first technique yielded scaffolds with a total porosity of 67 to 87% in a highly interconnected porous structure. The best result was achieved with carbon black, which resulted in an average pore size of 230 μm and a total porosity of 87%, making it the most promising porogen agent for application as a scaffold. The replication technique led to the formation of scaffolds with a total porosity of 96% and open cells in the range of 435 945 μm, with an average cell size of 650 μm. No presente trabalho, foram obtidos scaffolds através da sinterização controlada do Biosilicato®. Este material apresenta boas propriedades mecânicas e nível de bioatividade comparável ao dos biovidros, sendo um candidato interessante para ser empregado como scaffold no auxílio da regeneração óssea. Estudos anteriores reportam que quando este material é tratado termicamente em temperaturas superiores a 700°C, ocorre o aparecimento de uma fase cristalina secundária. Os testes de bioatividade in vitro revelaram que a presença da fase secundária não é prejudicial, mas torna o nível de bioatividade do Biosilicato® ainda maior, igualando-o ao nível de bioatividade do Bioglass - 45S5. Duas técnicas diferentes foram utilizadas na síntese dos scaffolds: (1) via adição de agentes porogênicos e (2) método da réplica. Cinco agentes porogênicos foram testados e comparados: naftaleno, amido de mandioca, amido de milho, microesferas de polietileno e negro de fumo. A técnica de adição de agentes porogênicos permitiu a obtenção de scaffolds exibindo porosidade total entre 67 e 87%, com uma estrutura de poros altamente interconectada. O melhor resultado foi alcançado através do uso do negro de fumo, onde o tamanho médio de poros obtido foi de 230 μm e uma porosidade total de 87%, tornando-o o mais promissor para aplicação como scaffold. O método da réplica permitiu a obtenção de scaffolds exibindo uma porosidade total de aproximadamente 96% e abertura de células na faixa de 435 945 μm, com abertura média de 650 μm.

Universidade Federal de Sao Carlos Bioactive materials have the ability to bond and to integrate with bone tissue by forming a biologically active bonelike apatite layer, which has chemical and structural properties equivalent to the mineral phase of living bone. This process is determined by chemical reactions, whose products also influence the attachment, the proliferation, the differentiation and the mineralizing capacity of bone cells. Cellular responses contribute to the bioactive behavior, which is known for being higher in glass materials. However, as low mechanical properties are also inherent characteristics of glasses, researchers from Federal University of Sao Carlos were stimulated to develop nucleation and growth thermal treatments for the obtainment of the Biosilicate®, a fully-crystallized bioactive glassceramic of the quaternary system P2O5-Na2O-CaO-SiO2. Although a high in vitro osteogenic potential of this novel glass-ceramic has been previously demonstrated, its in vivo effects have not been investigated yet. To contribute to this knowledge, two studies were developed. The first one aimed to investigate the in vivo biological performance of Biosilicate® in bone defects of rat tibias, by means of hystomorphometric and biomechanical analyses 20 days after the surgical procedure. This study revealed that the fully-crystallized Biosilicate® has good bone-forming and bone-bonding properties. Hence, the second study aimed to compare the kinetics of the bone reactions to two different granulometric distributions of this novel glass-ceramic. Although they were both efficient for bone formation, smaller-sized particles of Biosilicate® showed partial reabsortion, which was accompanied by a more pronounced osteogenic activity within the period of time studied. Since positive results were obtained, the search for scaffolds that could serve as supports for the guided bone regeneration had started. A third study preliminarily evaluated cell culture and cocultures in porous structures made of Biosilicate® and of other chemical compositions that were specifically developed for this purpose. The findings suggest that, when in adjusted conditions, the scaffolds can create favorable cellular responses for bone tissue engineering purposes. Taken togheter, these studies point to a promising potential and provide directives for the use of Biosilicate® in bone regenerative processes. Materiais bioativos possuem a capacidade de se ligar ao tecido ósseo por meio da formação de uma interface apatítica que apresenta similaridade química e estrutural com a fase mineral dos ossos. Esse processo ocorre devido a uma série de reações químicas, cujos produtos também influenciam a adesão, a proliferação, a diferenciação e a capacidade de mineralização da matriz pelas células ósseas. As respostas celulares contribuem para o comportamento bioativo, que é conhecido por ter maiores índices em materiais vítreos. No entanto, como baixas propriedades mecânicas também são características inerentes aos vidros, pesquisadores da Universidade Federal de São Carlos foram estimulados a empregarem nucleação e tratamentos térmicos especiais para o desenvolvimento do Biosilicato®, uma vitrocerâmica biotiva, totalmente cristalina, pertencente ao sistema quaternário P2O5-Na2O-CaO-SiO2. Embora um elevado potencial osteogênico in vitro tenha sido demonstrado para esta vitrocerâmica, seus efeitos in vivo ainda não são conhecidos. Para auxiliar este entendimento, foram desenvolvidos dois estudos. O primeiro teve como objetivo investigar o desempenho biológico in vivo do Biosilicato® particulado em defeitos ósseos em tíbias de ratos, por meio de análises histomorfométricas e biomecânicas 20 dias após o procedimento cirúrgico. Este estudo evidenciou que o Biosilicato® parece favorecer a formação óssea in vivo e o estabelecimento de fortes ligações com o tecido neoformado. Com isso, o objetivo do segundo estudo foi comparar a cinética das reações ósseas frente a duas diferentes distribuições granulométricas desta nova vitrocerâmica. Embora ambas tenham sido eficientes para a formação óssea, as partículas de Biosilicato® com menores diâmetros demonstraram reabsorção parcial no período estudado, que foi acompanhada de uma maior atividade osteogênica. Com os resultados positivos obtidos nestas investigações, iniciou-se uma busca para o desenvolvimento de matrizes porosas que pudessem servir de suporte para a regeneração guiada do tecido ósseo. Um terceiro estudo preliminarmente avaliou monoculturas e coculturas celulares em matrizes porosas de Biosilicato® e de outras novas composições químicas desenvolvidas especificamente para este propósito. Os achados sugerem que, quando em condições adequadas, as matrizes avaliadas podem produzir respostas celulares favoráveis ao seu emprego na engenharia do tecido ósseo. Estes estudos, de maneira conjunta, apontam para um potencial promissor e fornecem diretrizes para o emprego do Biosilicato® no favorecimento de processos regenerativos ósseos.