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Orientadores : Antonio Celso Fonseca de Arruda, Anselmo Ortega Boschi Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Os cimentos ósseos de fosfato de cálcio apresentam uma série de vantagens de utilização em ortopedia e traumatologia, sendo as mais destacadas a sua biocompatibilidade e bioatividade, que permitem a osteocondução dos tecidos e o endurecimento "in situ", permitindo maior facilidade de manipulação. A principal desvantagem destes cimentos é sua baixa resistência mecânica, que no melhor dos casos consegue igualar-se à do osso trabecular. Composições mais resistentes de cimentos de fosfato de cálcio encontrariam aplicações na consolidação de fraturas múltiplas, fixação de próteses articulares e substituição de corpos vertebrais. O objetivo do trabalho foi a melhoria das propriedades mecânicas de cimento de fosfato de cálcio por meio da adição de fibras. Para isto, baseando-se na literatura foi desenvolvida composição de cimento de fosfato de cálcio baseada no a-fosfato tricálcico (Ca3(P04h). Modificações introduzi das na composição de cimento com a adição de um sistema de polimerização in situ baseado na acrilamida e de redutor de líquido, poliacrilato de amônia, permitiu a obtenção de um novo tipo de cimento de fosfato de cálcio, o cimento de fosfato de cálcio de dupla-pega, obtendo-se valores de resistência à compressão 150% superiores à composição sem o sistema de polimerização. Foi avaliada a influência da utilização de fibras de polipropileno, náilon 6.6 e carbono nas propriedades mecânicas destes cimentos. Os resultados obtidos mostram que as fibras adicionadas aumentam mais acentuadamente a resistência à tração e a tenacidade à fratura dos cimentos, sendo obtidos valores de JIC próximos ao do osso cortical humano. A avaliação biológica in vitro e in vivo demonstrou a biocompatibilidade dos compósitos obtidos, ampliando a gama de possíveis aplicações médicas e dentárias no reparo de defeitos amplos e o uso em locais solicitados por carga Abstract: The calcium phosphate bone cements have advantages for use in orthopedics and traumatology, where the most important are the biocompatibility and bioactivity, which permits the tissue osteoconduction, and hardening " in situ " with easiness manipulation. The main disadvantage of these cements is the low mechanical resistance which in the better case is equal to the trabecular bone . Compositions of calcium phosphate cements with mechanical properties closer to the human bone would enlarge the field of current use, which is limited to sites with low load solicitation, and are used in the consolidation process of multiple fractures, fixation of articulated prostheses, and substitution of vertebral bodies. The aim of this work was the improvement of mechanical properties of calcium phosphate cement by fibers additions. Calcium phosphate composition based on a-tricalcium phosphate (Ca3(PO4)2) was prepared .Modifications in the cement composition by acrilamide polymerization system and liquid reducer, ammonium polyacrilate, additions allowed the development of a new type of calei um phosphate cement, the double setting calcium phosphate cement, increasing mechanical resistance on compression above 150% compared with cement composition with no modifications. The influence of polypropylene, nylon 6.6 and carbon fibers additions on the mechanical properties of this cement was studied. The results obtained demonstrate the increase of the mechanical strength of the cement compositions with fibers and increase of fracture toughness (Irc), similar to the human cortical bone. The in vitro and in vivo biological evaluation demonstrated biocompatibility of the obtained composites, enlarging the field of current use in medicine and odontology on the repair of large bone defects and in higher mechanical solicitation sites Doutorado Materiais e Processos de Fabricação Doutor em Engenharia Mecânica

Coating on prostheses and implantable devices is one of the ways to increase the osseointegration of these products. However, plasma spray techniques, that are normally used, present high complexity and high cost. In this work, a new methodology for coating with nanometric hydroxyapatite is presented, with a low cost and ease of production. The technique proposed involves the formation of a suspension of hydroxyapatite (HAp) and oil of turpentine (OT) and its application, with a paintbrush, on the titanium substrate. In order to qualify the process for medical devices, the properties of the titanium substrate, before and after the coating process, the calcium phosphate phases present and the adhesive bond of the coating were evaluated. The results indicated that thermal treatment does not affect the properties of ASTM F67 titanium in order to compromise the properties and the analyses, by X-ray diffraction and Raman spectroscopy, proved that no formation of second phases of calcium phosphate occurred. The adhesive bond assay showed that the coating behaved according to ISO 13779–2, i.e., it had adhesive bond values higher than 15 MPa. The proposed new coating method proved promising for the titanium coating and is an alternative to the complex and high cost processes normally used in metal implants.

Avaliaram-se a macroscopia e a microestrutura de esferas compostas por cimento ósseo de alfa-fosfato tricálcico de dupla pega munido de canais de interconexão (alfa-TCP-i) e a integração do implante ao tecido orbital de coelhos através de análise macroscópica e histopatológica. A superfície interna e externa do alfa-TCP-i foi avaliada macroscopicamente e por microscopia eletrônica. Após enucleação do bulbo ocular esquerdo, 12 coelhos da raça Nova Zelândia receberam implantes do alfa-TCP-i com 12mm de diâmetro. A avaliação clínica foi realizada diariamente nos primeiros 15 dias e depois a cada quinze dias até o fim do período de estudo. Para análise morfológica, seguiu-se a exenteração de três animais por período experimental (15, 45, 90 e 180 dias). As superfícies externa e interna do implante mostraram-se compactas, sólidas e lisas, com seis canais que se interconectavam centralmente. A microarquitetura caracterizou-se pela formação de colunas de cristais hexagonais. Sinais de infecção, exposição, deiscência de sutura ou extrusão não foram notados em nenhum dos animais durante o período de estudo. A análise morfológica revelou a presença de fina cápsula ao redor do implante de onde surgiram projeções fibrovasculares que o penetraram através dos canais de interconexão. Nos primeiros dias após a inserção das esferas, notou-se intensa reação inflamatória que se mostrou ausente aos 180 dias. O implante do cimento de alfa-fosfato tricálcico foi bem tolerado em coelhos, mostrou-se relativamente inerte e permitiu a infiltração de tecido fibrovascular através dos canais de interconexão. The purpose of this study was to evaluate the macroscopy and microstructure of a double setting alpha-tricalcium phosphate bone cement sphere provided with interconnection channels (alpha-TCP-i), as well as the integration of the implant with the rabbits’ orbital tissue, through macroscopic analysis and histopathology. The external and internal surfaces of the alpha-TCP-i were evaluated macroscopically and by electron microscopy. Twelve New Zealand rabbits received 12mm implants of alpha-TCP-i following enucleation of the left eye. The clinical assessment was undertaken daily during the first 15 days, followed by fortnightly assessment until the end of the study period. For the morphological analysis, exenteration was performed in 3 animals per experimental period (15, 45, 90 and 180 days). The external and internal surfaces of the implant appeared solid, smooth and compact, with six channels which interconnected centrally. The micro-architecture was characterized by the formation of columns of hexagonal crystals. No signs of infection, exposure, dehiscence of sutures or extrusion of the implant were noted in any of the animals during the entire period of the study. The morphological evaluation demonstrated the presence of a thin capsule around the implant, from whence appeared fibro-vascular projections, which penetrated it through the interconnecting channels. In the first days after the insertion of the implant, an intense inflammatory reaction was noted. At 180 days, however, there were no signs of inflammation. The alpha-tricalcium phosphate cement implant was well tolerated in this rabbit model and appeared to be relatively inert with some fibrovascular ingrowth through the large channels.

Nowadays, an important research topic related with medical devices are the materials designed as bone tissues substitutes. Hard tissues have a great capacity of self-regeneration but in front of traumatic or pathologic critical bone defects it is necessary the use of bone substitutes or templates as temporal or permanent grafts. Glasses or glass-ceramics are osteoconductive, osteoinductive and biocompatible materials. In addition, they have the ability to link directly to the living bone tissues without any interface (bioactivity). Also, it has been reported that bioglasses favor the angiogenesis process and the cellular adhesion, proliferation and differentiation necessary features for bone tissue engineering scaffolds. This work refers generalities of the bioactive glasses and glass-ceramics compositions, manufacture processes, properties, advantages, disadvantages as well as the main clinical applications and new developments for tissue engineering. Los materiales sustitutivos de los tejidos óseos representan en la actualidad un área de gran interés en la investigación relacionada con productos médicos. A pesar de la capacidad de autorenovación de los tejidos duros del cuerpo humano, la alta incidencia de patologías y lesiones traumáticas con grandes pérdidas óseas exige la búsqueda de materiales que puedan de forma permanente o transitoria servir de sustitutos óseos o de plantillas para la osteosíntesis. Dentro de los biomateriales en estudio, actualmente destacan vidrios y cerámicas vítreas, las que además de ser biocompatibles, osteoinductivas y osteoconductivas han demostrado la habilidad de enlazarse al hueso directamente sin que medie interface alguna (bioactivos). Estos materiales aparte de estimular la osteosíntesis pueden contribuir con el proceso de angiogénesis y favorecen la adhesión, proliferación y diferenciación celular imprescindible en matrices diseñadas para la Ingeniería de Tejidos. Este trabajo se refiere a generalidades en el desarrollo de vidrios y vitrocerámicos con aplicaciones en medicina, su diversidad de formulaciones, métodos de síntesis, propiedades, ventajas, limitaciones y sus principales aplicaciones en diferentes especialidades médicas, así como en la Ingeniería de Tejidos.

The double-setting alpha-tricalcium phosphate bone cement was evaluated as an orbital implant for filling the anophthalmic cavity of dogs. The animals were from the Ophthalmology Unit of the Veterinary Hospital, Universidade Estadual Paulista – Jaboticabal, and from a private veterinary clinic. The study was conducted during two years. The patients’ age ranged from 2-11 years old, and their weight from 9-50 kg. The implants ranged from 19 to 25 mm in diameter. Local edema was observed in all animals during the immediate postoperative period. Of the ten performed surgeries in seven animals, a satisfactory, aesthetic result was observed in nine (90%) while in one (10%) of them it was unsatisfactory due to complications that led to the implant removal. The use of the double-setting alpha-tricalcium phosphate bone cement to fill anophthalmic sockets is feasible and could be an alternative to improve the cosmetic appearance after eyeball removal. Avaliou-se o cimento de alfa-fosfato tricálcico de dupla pega como implante para o preenchimento de cavidade anoftálmica em cães e gatos. Os animais foram provenientes do Serviço de oftalmologia do Hospital Veterinário, da Universidade Estadual Paulista – Câmpus de Jaboticabal. O estudo foi realizado em dois anos. A idade dos pacientes oscilou entre 2 a 11 anos, com peso de 3 a 50 kg. Os implantes variaram de 15 a 25 mm de diâmetro. Edema local foi observado em todos os animais durante o pós-operatório imediato. Das 11 cirurgias realizadas em 8 animais, sendo 7 cães e 1 gato, em 9 (81,8%) o resultado estético foi satisfatório, enquanto em 2 (18,2%) foi insatisfatório, devido a complicações que levaram a remoção dos implantes. A utilização do cimento de alfa-fosfato tricálcico de dupla pega no preenchimento de cavidade anoftálmica mostrou-se factível e é uma alternativa para melhorar a aparência estética após a enucleação.

Um dos fatores mais importantes na técnica conhecida por engenharia de tecidos é o crescimento de células em suporte porosos tridimensionais conhecidos por arcabouços. Os arcabouços guiam o crescimento celular e facilitam a formação de tecidos e órgãos funcionais. Cimentos ósseos são materiais desenvolvidos há aproximadamente uma década para aplicações biomédicas. Um cimento deste tipo pode ser preparado misturando um sal de fosfato de cálcio com uma solução aquosa para que se forme uma pasta que possa reagir à temperatura corporal dando lugar a um precipitado que contenha hidroxiapatita. O desenvolvimento de estruturas porosas de cimento de fosfato de cálcio é de grande utilização em engenharia de tecidos, além de outras áreas da traumatologia. O objetivo deste trabalho foi o uso de cimento de α-TCP (α-fosfato tricálcico) para obtenção desses arcabouços, através da obtenção e utilização de esferas de parafina como corpos geradores de poros. O α-TCP foi sintetizado por resfriamento brusco de seus precursores e, as esferas foram produzidas por suspensão em uma solução aquosa de poli (álcool vinílico) e sulfato de sódio. As quantidades de cada um destes reagentes foram estudadas com relação ao tamanho das esferas formadas. Pela análise de difração de raios X foi detectada a presença de β-TCP como fase indesejada no processo de síntese do α-TCP e de hidroxiapatita deficiente em cálcio após a reação de pega do cimento. Foi analisada a extração da parafina dos arcabouços por utilização de um método térmico. A porosidade dos arcabouços confeccionados com esferas de parafina foi observada por microscopia eletrônica de varredura, mostrando tamanho, forma e interconectividade dos corpos porosos, que se mostrou adequada para o crescimento celular. One of the most important factors in tissue engineering is the three-dimensional cells growth in porous support known by scaffolds. The scaffolds guide the cellular growth and facilitate the tissue formation and functional organs. Bone cements have been developed for biomedical applications for a decade approximately. This kind of cement can be prepared mixing a calcium phosphate salt with aqueous solution forming a paste that can react at body temperature generating a hydroxyapatite precipitated. The aim of this work was to use α-TCP (α-tricalcium phosphate) cement in order to obtain such scaffolds, with the aid of paraffin spheres as pores generators. These spheres were produced by suspension in a aqueous solution of polyvinylalcohol (PVA) and sodium sulphate (Na2SO4). The amount of each one of the components was related to the size of the formed spheres. The extraction of the paraphyn from the scaffolds was also evaluated. The porosity of the scaffolds produced with paraffin spheres was observed by means of scanning electron microscopy, regarding their size, shape, and interconnectivity, which are important properties of the bone cellular growth process.

“Dual-setting” calcium phosphate cements (DS-CPCs), characterized by a polymerization reaction that proceeds along with the conventional hydraulic setting, were prepared and studied. Acrylamide (AA), 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA), and N-vinyl-2-pyrrolydone (VP) in 5, 10, and 20 wt./vol.-% were added to the liquid of α- tricalcium phosphate (α-TCP) and tetracalcium phosphate/dicalcium phosphate anhydrous (TTCP/ DCPA) conventional cements. N,N’-methylenebisacrylamide was used as cross linking agent. N,N,N´,N´-tetramethylethylendiamine in the liquid, and ammonium persulfate in the powder, were employed as polymerization catalyst and initiator, respectively. Diametral tensile strength (DTS), setting time, phase composition, conversion rate, and microstructure of the DS-CPC were compared with those of non-added cements. The DTS increased 22 % for α-TCP and 85 % for TTCP/DCPA DS-CPCs by adding 20 wt./vol.-% AA. The HEMA and VP had no positive effect on DTS. The extent of the hydraulic setting reaction for α-TCP DS-CPC was only slightly decreased by the addition of 20 wt./vol.-% of AA to the mixing liquid.

Realizaram-se 25 artrodeses em 21 casos, quatro em gatos e 17 em cães, utilizando hidroxiapatita sintética como substituto ao enxerto ósseo autógeno esponjoso fresco, sendo oito na articulação do carpo, 10 na articulação do tarso, seis na do cotovelo e uma na do joelho. As avaliações radiográficas foram realizadas aos 30 dias em um animal, aos 45 dias em outro e aos 60 dias nos 19 casos restantes. Visibilizou-se união óssea em 24 artrodeses e a não-união em um cotovelo foi atribuída a falha na estabilização. O retorno à função do membro foi classificado de bom a excelente em 22 casos. A hidroxiapatita foi capaz de viabilizar o crescimento ósseo e mostrou-se factível para utilização na prática cirúrgica rotineira em pequenos animais. Twenty-five arthrodeses were performed in four cats and 17 dogs using synthetic hydroxyapatite as fresh autogenous graft cancellous bone substitute. Arthrodesis was performed in the carpal joint in eight cases, in the tarsal joint in 10, in the elbow joint in six, and in the knee joint in one case. The mean radiographic follow-up time was 30 days in one animal, 45 days in another animal and 60 days in the 19 remaining cases. Bone union was observed in 24 arthrodeses. Non-union of one elbow arthrodesis was due to failure of stabilization. Restoration of limb functionality was classified as good to excellent in 22 cases. Hydroxyapatite was able to promote bone growth and is suitable for using in routine surgical procedures for small animals.

Orientador: Cecília Amélia de Carvalho Zavaglia Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A engenharia tecidual associada à nanotecnologia ganhou destaque no meio científico devido a sua multidisciplinaridade e capacidade de atingir várias áreas de estudo, inclusive no campo da medicina regenerativa. Para que o processo de regeneração tecidual óssea ocorra de forma esperada é possível utilizar scaffolds, que com sua estrutura porosa e com poros interconectados estruturam e organizam a região injuriada durante a recuperação do tecido. A organização da estrutura 3D da região afetada deve ser estudada para que seja possível criar scaffolds apropriados ao tamanho e forma do defeito existente. Com o scaffold já implantado deve ser avaliada a interação dos materiais com as células da região danificada. A partir desse princípio, o objetivo deste trabalho foi sintetizar nanopartículas de hidroxiapatita (HA) e betafosfato tricálcico ('beta'-TCP) utilizando a nova rota química baseada na utilização da sacarose como agente formador do gel (sucrose-based route) para síntese das nanopartículas, que são utilizadas na produção dos scaffolds, formando compósitos HA/TCP que serão utilizados como suporte para células tronco mesenquimais (MSCs) nos testes de substituição de tecidos ósseos. As nanopartículas foram caracterizadas por DRX, FRX, equação de Scherrer, MEV, MET, EELS, ESEM, NTA, FTIR e potencial Zeta. A partir dos dois fosfatos de cálcio (HA e 'beta'-TCP), foram feitos dois tipos de compósitos (esponja cerâmica e pastilha porosa) que foram caracterizados por ensaio mecânico de compressão axial, DRX, picnometria, microtomografia de raios X (Micro- CT), ESEM, FTIR e ensaio de degradação. Após a caracterização dos compósitos, os scaffolds foram submetidos a testes in vitro e in vivo e caracterizados por lupa de fluorescência, microscopia confocal, MEV, EDS, radiografia, MTT e histologia. Os resultados sugerem que os compósitos obtidos possam ser utilizados na potencialização da diferenciação osteogênica de MSCs provendo o desenvolvimento de novos modelos de bioengenharia tecidual na reconstrução óssea Abstract: Tissue engineering associated with nanotechnology stood out because of its multidisciplinarity and results, in addition to targeting many areas of study in the field of regenerative medicine. For the process of bone regeneration to occur in appropriate form, the injured area must be organized. The reorganization of the 3D structure in the affected area should be studied in order to create scaffolds of appropriate size and shape similar to the existing defect. The implanted scaffold should be evaluated regarding the interaction of the material with the cells on the damaged region. From this principle, the objective of this work was to synthesize nanoparticles of hydroxyapatite (HA) and tricalcium phosphate ('beta'-TCP) using the new sucrosebased route which is based on the use of sucrose as a chelating agent for synthesis of nanoparticles, which are used in the production of scaffolds, forming composite HA / TCP that will be used as support for mesenchymal stem cells (MSC) in the replacement tests of bone tissue. The nanoparticles were characterized by XRD, XRF, Scherrer equation, SEM, TEM, EELS, ESEM, NTA, FTIR and Zeta potential. With two calcium phosphates (HA and TCP) it was prepared two types of composites (ceramic sponge and porous ceramic cylinder), which were characterized by mechanical test, XRD, pycnometry, X-ray microtomography (Micro-CT) ESEM, FTIR and degradation test. Scaffolds were tested in vivo and in vitro and they were characterized by magnifying fluorescence, confocal microscopy, SEM, EDS, radiography, MTT and histology. The results suggest that the scaffolds obtained can be used to improve the osteogenic differentiation of the MSC providing the development of new types of bone tissue engineerinG Doutorado Materiais e Processos de Fabricação Doutor em Engenharia Mecânica

Na engenheira de tecidos a primeira interação célula – material acontece na superfície, portanto, as respostas celulares são influenciadas pelas propriedades químicas, físicas e morfológicas da superfície do biomaterial. As técnicas de modificação superficial trouxeram alternativas para aprimorar as propriedades do biomaterial e sua compatibilidade com o meio biológico. Trabalhos anteriores com a blenda de Poliácido(Láctico-co-Glicólico) (PLGA) e Poliisopreno epoxidado (PIepox), a caracteriza como um material com interessante potencial para engenharia de tecidos, porém com limitações enquanto seu caráter hidrofóbico. Afim de aperfeiçoar e oferecer uma blenda de PLGA/PIepox com características de maior bioafinidade e biocompatibilidade para interação celular, foi realizado sua modificação utilizando irradiação ultravioleta (UV), visto que essa técnica em comparação com outras, como plasma e via química úmida, possui baixo custo, não utilização de solventes e fácil manuseio. Após 60 minutos tratamento UV a blenda apresentou maior hidrofilicidade, ou seja, menor ângulo de contato em comparação a não tratada. A partir de análises químicas da superfície, como ATR-FTIR e XPS, foi possível explicar que esse aumento da molhabilidade é devido ao aumento de grupos oxigenados, como hidroxilas, carbonilas, ácidos carboxílicos e peróxidos. Conforme as análises de DSC também foi possível verificar que houve alteração na mobilidade das cadeias poliméricas das amostras irradiadas, provavelmente pelo aumento das interações de hidrogênio entre os polímeros da blenda e de possíveis ocorrências de ligações cruzadas. No ensaio de degradação in vitro foi demonstrado que houve um aumento da absorção de água da blenda tratada, diminuindo sua degradação, sendo esse fenômeno ocasionado pela maior hidrofilicidade da mesma, acarretado também pelas possíveis ligações cruzadas que se formaram durante a irradiação UV. Por fim, é possível corroborar que a blenda tratada pelo método UV possui características adicionais e alternativas, como maior hidrofilicidade e aumento dos grupos oxigenados, que potencializa sua utilização na engenharia de tecidos. Because the first cell-material interaction occurs on the surface of the tissue engineer, cellular responses are influenced by the chemical, physical, and morphological properties of the biomaterial's surface. Surface modification techniques have brought alternatives to improve the properties of biomaterials and their compatibility with the biological environment. Previous work with the blend of Polyacid (Lactic-co-Glycolic) (PLGA) and epoxidized Polyisoprene (PIepox), characterizes it as a material with interesting potential for tissue engineering, but with limitations as to its hydrophobic character. To improve and offer a blend of PLGA/PIepox with characteristics of greater bio-affinity and biocompatibility for cellular interaction, it was modified using ultraviolet (UV) irradiation, since this technique in comparison with others, such as plasma and wet chemical, has low-cost, no use of solvents and easy handling. After 60 minutes of UV treatment, the blend showed greater hydrophilicity, that is, a smaller contact angle compared to the untreated one. Chemical surface analyses, such as ATR-FTIR and XPS, revealed that the increase in wettability is due to an increase in oxygenated groups, such as hydroxyls, carbonyls, carboxylic acids, and peroxides. According to the DSC analysis, it was also possible to verify that there was a change in the mobility of the polymeric chains of the irradiated samples, probably due to the increase in the interactions of hydrogen between the polymers in the blend and possible occurrences of cross-links. In the in vitro degradation test, it was demonstrated that there was an increase in the absorption of water from the treated blend, decreasing its degradation. This phenomenon is caused by its greater hydrophilicity, also caused by the possible cross-links that were formed during UV irradiation. Finally, it is possible to corroborate that the blend treated by the UV method has additional and alternative characteristics, such as greater hydrophilicity and increased oxygenated groups, which enhances its use in tissue engineering.

Um dos principais desafios da Engenharia de Tecidos é produzir matrizes 3D com uma estrutura suficientemente favorável para a viabilidade e propagação das células. Dentre as dificuldades existentes está o desenvolvimento de uma estrutura que permita a manutenção da viabilidade de células por meio de uma porosidade que promova a troca de nutrientes e gases, mas que possua uma resistência mecânica adequada para a região visada. Em prol da diversificação de materiais e técnicas de processamentos utilizados na Engenharia de Tecidos, garantindo assim sua redução de tempos e custos, permitindo sua ampla e irrestrita acessibilidade, faz-se imprescindível a continuidade do estudo de um dos mais recentes biomateriais criados: blenda de poli (ácido láctico-co-glicólico, PLGA) e poliisopreno (PI), registrado como Cellprene®. Estudos recentes utilizando a blenda mencionada demonstraram excelentes resultados quando empregada como implante em testes com animais. Sua viabilidade como biomaterial, tanto na sua utilização como stent traqueal quanto em aplicações na região cranial e/ou ambiente ósseo, já foi avaliada e comprovada como uma das grandes alternativas existentes atualmente. Desta forma, o objetivo deste estudo foi obter micro e nanofibras de Cellprene® por electrospinning e centrifugal spinning para posterior uso como scaffold na Engenharia de Tecidos. A composição da blenda foi modificada para obtenção de melhores resultados, adicionando polietilenoglicol (PEG) como plastificante e hidroxiapatita (HAp) como promovedor de maior bioatividade. Ambos componentes, PEG (15% e 20% em massa) e HAp (10% e 15% em massa) foram adicionados durante o processo de obtenção da blenda. Após a obtenção das fibras, foram realizadas as caracterizações termoquímicas e morfológicas. As fibras com 10% de HAp em sua composição e processadas por centrifugal spinning (com 5% em massa de soluto) apresentaram os melhores resultados morfológicos. Essas fibras foram também analisadas quanto a sua bioatividade, viabilidade e adesão celular in vitro demonstrando resultados satisfatórios para emprego futuro como scaffold. Development of 3D structure that allows the maintenance of cell viability over porosity that promotes the exchange of nutrients and gases, but which has adequate mechanical strength to that referred region is one of the major Tissue Engineering challenges. Considering the diversification of materials and processing techniques used in biomaterials, ensuring a reduction of time and costs, allowing its broad and unrestricted accessibility, it was essential to continue the study of one of the latest biomaterials developed: poly (lactic acid-co-glycolic, PLGA) and poly (isoprene, IR) blend, registered as Cellprene®. Novel researches using the mentioned blend demonstrated excelent results when employed as implant in animal tests. Viability as biomaterial, in their use such as tracheal stent as for applications in the cranial region and/or bone environment, has been evaluated and proven as a great alternative. Thus, the purpose of this study was to obtain micro- and nano fibers based on Cellprene® by electrospinning and centrifugal spinning in order to further use as scaffold in tissue engineering. The blend composition was modified to achieve the best result, adding polyethylene glycol (PEG – 15 wt% and 20 wt%) as plasticizer. Hydroxyapatite (HAp – 10 wt% and 15 wt%) was added to promote bioactivity. Both materials were inserted during the process of obtaining the blend. Thermochemical and morphological characterization were performed. Fibers with 10% HAp in its composition and processed by centrifugal spinning (5 wt%) presented the best morphological results. These fibers were also analyzed for its bioactivity, viability and cell adhesion in vitro showing satisfactory results for future use as scaffold.

Próteses personalizadas de Articulação Temporomandibular (ATM) são desenvolvidas para cada paciente, possuindo um planejamento multidisciplinar para a melhor recuperação dos movimentos e das funções básicas. Essa solução multidisciplinar integra ferramentas da engenharia, técnicas avançadas de cirurgia médica, tomografia computadorizada, simulações computacionais, ensaios mecânicos e técnicas de produção para obter uma perfeita adaptação à região do corpo que se deseja substituir, integrando aspectos funcionais tais como proteção, ajuste, forma e resistência mecânica no design da peça anatômica a ser implantada. No Brasil, prótese personalizada de ATM, através da resolução RDC nº305 de 2019 estabelece os requisitos para os fabricantes de dispositivos médicos e exige notificação de cada produto personalizado fabricado. Porém, não especifica normas para ensaio de ATM e a ausência de resultados que deem suporte aos órgãos de fiscalização. O objetivo do presente trabalho foi o desenvolvimento de uma prótese personalizada de ATM e a análise (estática e de fadiga) pelo método dos elementos finitos e ensaios mecânicos, e demonstrar o potencial uso do método de elementos finitos como auxiliar no projeto e confecção de próteses de ATM. Através do caso mais crítico, baseado na literatura, foi definida a maior força de mordida com 300N e que a prótese deveria suportar 5 milhões de ciclos, o ensaio estático foi capaz de suportar, em média, uma carga de 802.2N e o ensaio de fadiga atingiu o critério de runout com 320N. Os resultados gerados demonstraram que com o uso da análise por elementos finitos pode-se ter uma previsibilidade que a prótese suportaria os esforços e confirmado com os ensaios mecânicos em laboratório, auxiliando na validação deste método para a obtenção da prótese de ATM, servindo como dados auxiliares aos órgãos de fiscalização e possibilitando a utilização dos dados para desenvolvimento de novas próteses. Custom Temporomandibular Joint (TMJ) prostheses are developed for each patient, with multidisciplinary planning for better recovery of basic movements and functions. This planning integrates engineering tools, advanced medical surgery techniques, computed tomography, computer simulations, mechanical tests and production techniques to achieve a perfect adaptation to the desired body region, integrating functional aspects such as protection, shape and mechanical resistance in the design of the anatomical part to be implanted. In Brazil, a sanitary legal instrument RDC No. 305 of 2019 establishes the requirements for medical device manufacturers and turns mandatory notification of each customized product manufactured. However, it does not specify the stardards for TMJ tests and the absence of results that gives support to the inspection authorities. The objectives of this work were the development and manufacture of a customized TMJ prosthesis, and to demonstrate the potential use of the finite element method as an aid in the design of TMJ prostheses. To achieve this, the static and the fatigue analysis were realized using the finite element method and mechanical tests were performed to complement the results. The most critical case was standardized on bite force at 300N and that the prosthesis should handle it in 5 million cycles. The static test has shown that the prosthesis was able to handle, on average, 802.2N load. The fatigue test showed that the prosthesis reached out the criteria of run out at 320N. The generated results demonstrated that the finite element analysis can predict the probable foible region to the prosthesis along with laboratory mechanical tests, supporting the validation of this method to obtain the TMJ prosthesis. Plus, it could be used as support to inspection authorities and as a data generator to develop new prostheses.

A doença arterial coronária em suas diversas manifestações crônicas ou agudas tem se tornado a causa mais comum de mortalidade. É neste cenário, que a intervenção percutânea coronária ou angioplastia coronária, combinada à terapêutica farmacológica, é a modalidade terapêutica mais utilizada para o tratamento da doença coronária. O objetivo deste trabalho foi obter e caracterizar hidrogéis de poli (N-vinil-2-pirrolidona) e poli (N-vinil-2-pirrolidona–co–ácido acrílico) os quais foram dopados com 1% (w/w) hidroxiapatita e dopados com 26,5 mg heparina sódica, visando desenvolver novos stents eluidores de Cr-Co eletropolidos com relativo baixo custo que permitam a liberação controlada de fármacos. As formulações desenvolvidas foram caracterizadas pelas técnicas de Difração de Raios X, Espectroscopia de infravermelho, Microscopia Eletrônica de Varredura. Numa terceira etapa experimental se realizaram testes de liberação de heparina sódica, assim como uma avaliação cinética dos perfiles obtidos e posteriormente se realizaram testes de hemólise in vitro. Os hidrogéis obtidos com ácido acrílico apresentaram poros de menor tamanho, menor teor de inchamento e, portanto liberam mais lentamente o fármaco, devido à formação dos complexos inter-polímeros que aumentam o grau de reticulação. No estudo de liberação do fármaco e de sua cinética, mostrou-se que o hidrogel compósito com hidroxiapatita foi o sistema mais adequado para a liberação da heparina sódica, pois se obteve uma rápida liberação do fármaco nas primeiras horas sendo um fator importante na escolha do material. Os modelos cinéticos que mais se ajustaram as formulações dos hidrogéis foram Peppas-Shalin e Ritger-Peppas. O hidrogel compósito com hidroxiapatita mostrou que não interferiu na hemostasia fisiológica, sendo um resultado satisfatório para sua futura aplicação. Coronary artery disease in its various chronic or acute manifestations has become the most common cause of mortality. It is in this scenario that percutaneous coronary intervention or coronary angioplasty, combined with pharmacological therapy, is the most used therapeutic modality for the treatment of coronary disease. The objective of this work was to obtain and characterize poly (N-vinyl-2-pyrrolidone) and poly (N-vinyl-2-pyrrolidone – co – acrylic acid) hydrogels which were doped with 1% (w/w) hydroxyapatite and doped with 26.5 mg sodium heparin, aiming to develop new electropolished Cr-Co eluting stents with relatively low cost that allow controlled drug release. The formulations developed were characterized by X-Ray Diffraction, Infrared Spectroscopy and Scanning Electron Microscopy. In a third experimental stage, tests for the release of sodium heparin were performed, as well as a kinetic evaluation of the profiles obtained, and later in vitro hemolysis tests were performed. The hydrogels obtained with acrylic acid showed smaller pores, less swelling content and, therefore, release the drug more slowly, due to the formation of interpolymer complexes that increase the degree of crosslinking. In the study of drug release and its kinetics, it was shown that the composite hydrogel with hydroxyapatite was the most suitable system for the release of sodium heparin, since a quick release of the drug was obtained in the first hours and an important factor in the choice of material. The kinetic models that best fit the hydrogel formulations were Peppas-Shalin and Ritger-Peppas. The hydroxyapatite composite hydrogel showed that it did not interfere with physiological hemostasis, being a satisfactory result for its future application.

Cellprene® epoxidado é uma blenda polimérica produzida a partir de um polímero sintético, o poli(ácido láctico-co-glicólico) (PLGA) e um polímero natural (poli(isopreno)) que apresentou potencial para aplicações como biomaterial devido às suas características de biocompatibilidade, hidrofilicidade, propriedades mecânicas quando obtida em forma de membrana pelo método de solvent casting. Em se tratando de um novo material, a produção de fibras, caracterização e avaliação de sua resposta como biomaterial para aplicações na engenharia de tecidos faz-se necessária. O processamento de materiais via electrospinning é um método relativamente simples e versátil que possibilita a produção de fibras com dimensões micro e nanométricas através do controle de parâmetros como tensão aplicada, distância entre agulha e coletor, fluxo de solução polimérica, concentração de solução polimérica, etc. A análise de ressonância magnética nuclear protônica demonstrou que a reação de epoxidação do poli(isopreno) natural atingiu um grau de epoxidação de 53,9 ± 5,7 mol%. As membranas fibrosas de Cellprene® epoxidado foram produzidas com os seguintes parâmetros: distância entre agulha e coletor de 20 cm, tensão aplicada de 15 kV, taxa de fluxo de material de 5 mL/h e concentração de solução de 5 %m/v. As fibras foram avaliadas e apresentaram diâmetro médio de 4,3 ± 2,7 μm. Análises termogravimétricas e calorimetria exploratória diferencial indicaram que a blenda continua imiscível, a análise de FTIR mostrou que não houve mudança química dos grupos funcionais após o processamento do material. O ensaio mecânico de tração mostrou um aumento de cerca de 10 vezes no módulo de elasticidade e redução de aproximadamente 3 vezes na deformação das membranas fibrosas de Cellprene® epoxidado quando comparadas às membranas obtidas via solvent casting. As membranas fibrosas não demonstraram efeito citotóxico na análise de cultura celular e apresentaram comportamento hidrofóbico. Com isso, as membranas fibrosas apresentaram características que demonstram potencial para aplicações como biomaterial na produção de scaffolds. Epoxidized Cellprene® is a polymer blend made from a synthetic polymer, poly (lactic-co-glycolic acid) (PLGA) and a natural polymer (poly (isoprene)) that has potential for applications as a biomaterial due to its biocompatibility, hydrophilicity, mechanical properties when obtained in membrane form by solvent casting method. In the case of a new material, fiber production, characterization and evaluation of its response as a biomaterial for tissue engineering applications is necessary. Electrospinning material processing is a relatively simple and versatile method that enables the production of micro- and nanometer-sized fibers by controlling parameters such as applied tension, needle-collector distance, polymer solution flow, polymer solution concentration. Proton nuclear magnetic resonance analysis showed that the epoxidation reaction of natural poly (isoprene) reached an epoxidation degree of 53.9 ± 5.7 mol%. Epoxidized Cellprene® fibrous membranes were produced with the following parameters: 20 cm of needle-collector distance, 15 kV of applied tension, 5 mL / h of material flow rate and 5% m/v of solution concentration. The fibers were evaluated and presented an average diameter of 4.3 ± 2.7 μm. Thermogravimetric analysis and differential exploratory calorimetry indicated that the blend remains immiscible, FTIR analysis showed that there was no chemical change of the functional groups after material processing. Mechanical tensile testing showed a 10 times increase in modulus of elasticity and a 3 times reduction in deformation of epoxidized Cellprene® fibrous membranes compared to solvent casting membranes. Fibrous membranes showed no cytotoxic effect on cell culture analysis and showed hydrophobic behavior. Thus, the fibrous membranes presented characteristics that demonstrate potential for applications as biomaterial in the production of scaffolds.

O desenvolvimento de novas tecnologias para a área de biomateriais é de fundamental importância. A cada dia a expectativa de vida aumenta e faz-se necessário o desenvolvimento de novas ligas ou novos processos de recobrimento que garantam maior biocompatibilidade, menos efeitos deletérios e maior interação com os tecidos. Neste sentido, muitos esforços têm sido desenvolvidos pela comunidade científica para a aplicação de recobrimentos em substratos metálicos, principalmente de fosfatos de cálcio, em especial de hidroxiapatita. Este tipo de recobrimento, pode conferir ao substrato metálico uma melhor adesão ao tecido ósseo, redução da formação de tecido fibroso e osteointegração. Contudo, muitas das técnicas comercialmente aplicadas apresentam custos elevados e formação de segundas fases, tais como tetrafosfato de cálcio (TTCP) e fosfato tricálcico (TCP). Neste sentido, este estudo procurou o desenvolvimento de uma nova metodologia com baixo custo e de fácil aplicação e que não houvesse a formação de outras fases, além da hidroxiapatita. Para tal, o projeto avaliou a formação de uma dispersão de hidroxiapatita em óleo de pinho e um processo de recobrimento realizado com pincel sobre substrato de titânio comercialmente puro (TiCp) e também foi avaliado a formação do filme sobre o TiCp anodizado em diferentes tensões. Os processos de recobrimento foram seguidos de etapas de tratamento térmico em forno a plasma ou forno elétrico. Os produtos obtidos foram caracterizados quanto ao seu comportamento químico e mecânico, morfologia, estabilidade eletroquímica, liberação de íons cálcio, comportamento em SBF e citotoxicidade em ambiente celular. Os resultados dos ensaios mecânicos demonstraram que o tratamento térmico afeta as propriedades do substrato, porém os valores finais se mantêm em valores de acordo com o preconizado pela norma ASTM F67-13. Os testes de difração de raios-X e Raman demonstraram a não formação de outras fases de fosfatos. Ensaios de SBF e citotoxicidade mostraram que a metodologia é adequada para a aplicação e desenvolvimento de um biomaterial biocompatível. Estes resultados comprovam a eficácia da metodologia e demonstram que os produtos obtidos estão em acordo com normas nacionais e internacionais para o revestimento de substratos metálicos com hidroxiapatita. The development of new technologies for biomaterials is very important. Daily life expectancy increases, and it is necessary to develop new alloys or new coating processes that guarantee greater biocompatibility, less deleterious effects and greater interaction with tissues. In this sense, many efforts have been developed by the scientific community for the application of coatings on metallic substrates, mainly calcium phosphates, especially hydroxyapatite. This type of coating can give the metallic substrate a better adhesion to the bone tissue, a reduction of fibrous tissue formation and osseointegration. However, many of the commercially available techniques present high costs and second phases formation, such as calcium tetraphosphate (TTCP) and tricalcium phosphate (TCP). In this sense, this study sought the development of a new methodology with low costs, easy application without no other phosphates phase formation. For this, the project evaluated the formation of a dispersion of hydroxyapatite in pine oil and a coating process performed with a brush on commercially pure titanium substrate (TiCp) and the formation of the film on TiCp anodized at different voltages was evaluated. The products obtained were characterized by their chemical and mechanical behavior, morphology, electrochemical stability, calcium ion release, SBF behavior and cytotoxicity in the cellular environment. Results of the mechanical tests demonstrated that the heat treatment affects the properties of the substrate, but the final values are maintained in accordance with the ASTM F67-13 standard. X-ray diffraction and Raman tests demonstrated the non-formation of other phosphate phases. SBF and cytotoxicity tests showed that the methodology is suitable for the application and development of biocompatible biomaterial. These results confirm the effectiveness of the methodology and demonstrate that the products obtained are in accordance with national and international standards for the coating of metal substrates with hydroxyapatite.

A ortopedia e a odontologia têm especial interesse às tecnologias biocompatíveis que apresentam a fase alfa do fosfato tricálcico (α-TCP), pois estas são capazes de formar hidroxiapatita deficiente em cálcio, similar à óssea. Porém, a baixa resistência mecânica limita sua aplicação. A fim de superar essa limitação, foi agregada acrilamida ao cimento α-TCP, com redutor de líquido, originando o cimento α-TCP de dupla pega. A partir disso foram desenvolvidos compostos à base de cimento de α-TCP e α-TCP de dupla pega agregados dos fármacos sulfato de gentamicina, cloridratos de lidocaína, bupivacaína e levobupivacaína e testada sua funcionalidade como sistemas de liberação de fármacos. Não existem dados bibliográficos sobre liberação de fármacos por sistemas de cimento α-TCP de dupla pega. A metodologia utilizada foi qualiquantitativa. Para as diferenças analíticas considerou-se o intervalo de confiança de 95% com nível de significância menor que 5% (p

O processo de moldagem de pós por injeção (MPI) é uma tecnologia relativamente recente e permite a fabricação de peças e componentes de diversos materiais, com a possibilidade de fabricar peças em larga escala. O processo MPI é composto por quatro etapas: mistura do pó com o material orgânico (ligante), moldagem por injeção, extração do ligante e sinterização. O ligante é um veículo temporário composto por polímeros e/ou ceras e sua função é possibilitar o escoamento da carga injetável para o molde durante a moldagem por injeção e após a moldagem este deve ser totalmente removido da peça. A maioria dos polímeros utilizados no ligante é oriunda do petróleo, que é uma fonte não renovável que gera sérios impactos ambientais. Neste estudo foi proposto a utilização de ligante à base de borracha natural, que além de ser proveniente de fonte renovável, confere elasticidade à peça moldada, que possibilita a fácil desmoldagem de peças com geometria complexa e pequenas espessuras. Também se analisou a substituição da parafina, que estudada em trabalhos anteriores em ligante para injeção de alumina com a borracha natural, pela cera de carnaúba na moldagem por injeção de pó de ferro metálico. Foram avaliados três ligantes à base de borracha natural e as ceras: (i) parafina, (ii) cera de carnaúba e (iii) parafina + cera de carnaúba e estudou-se o efeito da composição do ligante em cada etapa do processo MPI. Investigou-se as propriedades químicas e térmicas dos ligantes, o teor de pó admissível nas cargas injetáveis, as rotas de remoção do ligante por via térmica e solvente e as propriedades finais como retração linear, porosidade, microestrutura e resistência à flexão. As composições de ligante a base de borracha natural e cera de carnaúba proporcionaram melhores propriedades ao processo MPI. Nestas composições foi possível a moldagem por injeção de cargas injetáveis com maior teor de pó, apresentaram maior estabilidade reológica, em que a viscosidade apresentou baixa variação em relação à temperatura e maior estabilidade com o aumento do teor de pó. Além disso, foram as únicas amostras que não apresentaram defeitos durante a extração por solvente e apresentaram propriedades finais satisfatórias para o processo MPI de ferro. The Powder Injection Molding process (PIM) is a relatively new technology and allows the manufacturing of parts and components of various materials, with the possibility of fabricating parts in microscale. The PIM process is composed of four steps: mix the powder with the organic material (binder), injection molding, extraction of the binder and sintering. The binder is a temporary vehicle composed of polymers and/or waxes and its function is to allow the flow of the feedstock into the mold during injection molding, and after molding this should be completely removed from the sample. Most of the polymers used in the binder are derived from petroleum, which is a non-renewable source that generates serious environmental impacts. In this study, it was proposed the use of binder based on polymer and wax from renewable sources that reduce the environmental impact. It was analyzed the substitution of paraffin, which was studied in previous studies with natural rubber, by the carnauba wax in the injection molding of the iron carbonyl. Were evaluated three binders based on polymer and wax: (i) paraffin, (ii) carnauba wax and (iii) paraffin wax carnauba wax and we studied the binder composition effect in each step of PIM process. The chemical and thermal binder properties, the critical powder volume concentration, the solvent and thermal debinding and the sintered properties were analyzed. As results, we found that the natural rubber and carnauba wax binder have better PIM process properties. In this binder was possible an injection molding with higher powder content, showing higher rheological stability, which the viscosity was more stable under temperature and powder content variation. Furthermore, the samples with this binder shown no defects after solvent debinding and suitable sintered properties for the iron PIM process.

A busca por qualidade de vida apresenta diversas interpretações e se torna mais acirrada quando se é portador de alguma deficiência e/ou doença que cause alguma limitação. Para isso, as pessoas dispõem de próteses e órteses, produtos mundialmente difundidos, que abrangem as mais diversas áreas da saúde, como cardiologia, ortopedia, pneumologia, entre outras. Tratam-se de biomaterias, cuja utilização visa um reparo ou uma reconstrução. Com isso, os materiais para implantes, especificamente os stents, têm atraído grande interesse em vista das vantagens conferidas aos pacientes, principalmente, qualidade de vida. No entanto, os stents de silicone utilizados em vias aéreas ainda apresentam algumas deficiências e desvantagens a serem sanadas, como paredes espessas devido as baixas propriedades mecânicas, restringindo sua utilização, inclusive quanto ao tipo de broncoscopia utilizada. Sendo assim, o objetivo deste trabalho foi o estudo da adição de fibras ao elastômero de silicone, com intuito de conferir reforço ao mesmo, melhorando suas propriedades para uso em stents para vias aéreas. Para isso, foram utilizadas fibras de polietileno, poliamida e carbono. As fibras de carbono conferiram a melhor resposta às caracterizações mecânicas realizadas. Sendo assim, o silicone com adição de fibra de carbono foi submetido a estudos de biocompatibilidade, confecção de stents e testes in vivo. Foram feitas avaliações mecânicas e simulação por elementos finitos, onde foi verificada melhora nas propriedades devido a adição de fibras de carbono. Na avaliação in vivo realizada em ovelhas, o resultado foi equivalente ao stent tubular nacional da Medicone. Por fim, foi possível confeccionar stent de silicone reforçado com fibras de carbono para aplicação em vias aéreas, com redução da espessura da parede de 20% em relação ao único stent tubular nacional. The search for quality of life has several interpretations, and becomes more fierce when one is carrying some deficiency and/or disease that causes some limitation. For this, people have orthesis and prothesis, products worldwide that cover the most diverse areas of health, such as: cardiology, orthopedics and pneumology, among others. These are biomaterials, the use of which is for repair or reconstruction. With this, implant materials, specifically stents, have attracted great interest in view of the advantages conferred to patients, mainly quality of life. However, silicone stents still present some deficiencies and disadvantages to clear up, such as thick walls due to low mechanical properties, restricting their use, including the type of bronchoscopy used. Therefore, the objective of this work was the study of the addition of fibers to silicone elastomer, in order to reinforce the same, improving its properties for use in airway stents. For this, polyethylene, polyamide and carbon fibers were used. The carbon fibers gave the best response to the mechanical characterizations performed. And so, the silicone with addition of carbon fiber has been subjected to studies of biocompatibility and stent manufacture. In the latter, mechanical evaluations were carried out, finite element simulation, where improvement in properties was verified due to the addition of carbon fiber. As was done in vivo evaluation in sheep whose result was equivalent to the national tubular stent of Medicone. Finally, it was possible to make a carbon fiber reinforced silicone stent for application in the airways, with a 20% wall thickness reduction in relation to the only national tubular stent.

Os cimentos de fosfato de cálcio (CFCs) formam uma pasta viscosa após a mistura de uma fase sólida (sal de fosfato de cálcio) com uma fase líquida (água ou uma solução aquosa). Esta pasta endurece, dando lugar a um precipitado que contenha um ou mais fosfatos de cálcio, que graças à sua formação à temperatura corporal evita uma resposta imunológica negativa do organismo. Embora uma das caraterísticas mais importantes dos cimentos de -TCP seja sua reabsorbilidade pelo organismo, a taxa de reabsorção In Vivo pode ser lenta devido à ausência de macroporos abertos. No presente trabalho foram obtidas estruturas macroporosas com presença de interconexões a partir da mistura de cimento de -TCP com uma fase líquida espumada. A fase líquida foi constituída de diferentes concentrações de hidrogenofosfato de sódio e um surfactante (Lutensol ON 110 ou Lauril Sulfato de Sódio), sendo espumada por agitação manual num sistema composto por 2 seringas conectadas por uma válvula de PVC. Após, foi acrescentado o pó de cimento, o qual foi misturado com a espuma no mesmo sistema. Verificou-se que as soluções com Lutensol apresentaram maior espumabilidade (218 – 400%) que as soluções com Lauril (63 – 209%). A difração de raios X evidenciou a transformação de -TCP em Hidroxiapatita deficiente em cálcio em todas as amostras após a imersão em solução de Ringer. As amostras preparadas com Lutensol apresentaram macroporos abertos com diâmetros maiores a 100m. Além disso foi observado que a macroestrutura final e o tamanho dos macroporos dos cimentos espumados varia em função das concentrações de fosfato e surfactante, além da proporção L/P. Por outro lado, a resistência a compressão das amostras macroporosas diminuiu com o aumento da porosidade total. Finalmente, foi observada a formação de uma camada continua de apatita sobre a superfície dos cimentos após imersão em SBF durante 21 dias. Este estudo sugere que as amostras de cimento de fosfato de cálcio espumadas com Lutensol possuem potencial para uso como arcabouços (scaffolds) para crescimento de tecidos. Calcium phosphate cements (CPCs) form a viscous paste after mixing a solid phase (a calcium phosphate salt) with a liquid phase (water or an aqueous solution). This paste hardens, forming a precipitate with one or more calcium phosphates, which thanks to their formation at body temperature prevent a negative immune response. Even though one of the most important characteristics of -TCP cements is their resorbability in the body, their In Vivo resorption rate is low due to the lack of open macropores. In the present work, macroporous interconnected structures were obtained by mixing the -TCP cement with a foamed liquid phase. The liquid phase was composed of different concentrations of sodium hydrogenphosphate and a surfactant (Lutensol ON 110 or Sodium Lauril Sulfate), and it was foamed by manual agitation in a system of two syringes connected by a PVC valve. The cement powder was then added to the system and mixed with the foam likewise. Solutions with Lutensol showed better foamability (218 - 400%) than solutions with Lauril (63 - 209%). X-ray diffraction showed the transformation of -TCP into Calcium Deficient Hydroxyapatite in every sample after immersion in Ringer’s solution. Samples prepared with Lutensol showed open macropores with diameters greater than 100m. It was found that final macrostructure and size of macropores in the foamed cements vary according to phosphate and surfactant concentrations, as well as to the L/P ratio. It was also found that compressive strength of the macroporous samples decreased with the increase of the total porosity. Finally, a continuous apatite layer was observed on the surface of the cements after immersion in SBF for 21 days. This study suggests that the calcium phosphate cement samples foamed with Lutensol have potential to be applied as scaffolds for bone tissue regeneration.

O crescente número de pacientes apresentando perda óssea gera um aumento na demanda pelo desenvolvimento de novos substitutos ósseos. Hidroxiapatita (Ca10(PO4)6(OH)2) e polímeros naturais utilizados na forma de material compósito são uma alternativa promissora aos tradicionais enxertos ósseos. No entanto, o sucesso destes materiais em aplicações médicas depende da boa interação entre a fase orgânica e inorgânica, nem sempre uma tarefa fácil. Neste trabalho foi desenvolvida uma nova estratégia de síntese de compósitos hidroxiapatita/borracha natural para aplicações médicas com boa dispersão e controle das fases produzidas. Para isso, foi realizada uma reação de precipitação in situ em que as cadeias poliméricas da borracha funcionaram como template para mineralização. A hidroxiapatita (HA) foi sintetizada a partir de Ca(NO3)2.4H2O e H3PO4 com uma razão Ca/P de 1,67 em tetraidrofurano (THF) na presença de borracha natural (NR) solubilizada. Os compósitos foram preparados contendo até 27,9 % em massa de HA e apresentado partículas nanodispersas na matriz polimérica. A técnica de precipitação desenvolvida permitiu a obtenção de HA nanocristalina com alto grau de pureza e controle do tamanho de cristalito e da fase produzida. Os compósitos apresentaram melhores propriedades mecânicas do que a NR pura para todas as concentrações de HA e houve perda de solubilidade dos compósitos produzidos em bons solventes, indicando a presença de borracha ligada à HA. Conforme proposto, a borracha natural possui uma proteína e um lipídio como grupos terminais portando cargas negativas que atuam como sítios de nucleação para a HA, melhorando a dispersão e controle do tamanho de cristalito. The growing number of patients with bone loss generates an increase in demand for the development of new bone substitutes. Hydroxyapatite and natural polymers used in the form of composite materials are a promising alternative to the traditional bone grafts. However, the success of these materials in medical applications depends on good interaction between the organic and inorganic phase. In this work we developed a new strategy for the synthesis of hydroxyapatite/natural rubber composites for biomedical applications with good dispersion and phase control. To achieve this goal, an in-­‐situ chemical precipitation method in which the polymer chains act as mineralization template was performed. The starting materials used for synthesizing hydroxyapatite (HA) were Ca(NO3)2.4H2O and H3PO4 with a Ca/P ratio of 1.67 in tetrahidrofuran (THF) in the presence o solubilized natural rubber (NR). The composites were prepared containing up to 27.9 wt.% HA presenting nanodisperse particles in the polymer matrix. The developed precipitation technique produced nanocrystalline HA with high purity and crystallite size and phase control. The composites presented better mechanical properties than NR alone with loss of solubility, indicating bound rubber to the HA phase. As proposed, natural rubber has a protein and a lipid as terminal groups carrying negative charges, which act as nucleation sites for HA, improving dispersion and control over crystallite size.

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-07-10T12:06:12Z No. of bitstreams: 1 SUELEM SONALY LIMA OLIVEIRA - DISSERTAÇÃO (PPGCEMat) 2015.pdf: 5946165 bytes, checksum: 1ba8a1f27e9bcd0278dbaaadefa8505f (MD5) Made available in DSpace on 2018-07-10T12:06:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SUELEM SONALY LIMA OLIVEIRA - DISSERTAÇÃO (PPGCEMat) 2015.pdf: 5946165 bytes, checksum: 1ba8a1f27e9bcd0278dbaaadefa8505f (MD5) Previous issue date: 2015-08-19 Capes Os estudos voltados para o desenvolvimento de arcabouços compreendem inovações tecnológicas, como a inserção de fármacos para liberação controlada. O objetivo desta pesquisa foi desenvolver arcabouços constituídos por esferas de hidroxiapatita/quitosana, carreadas com fármaco, curcumina ou dexametasona, para estudo em liberação controlada de fármacos. Utilizando para isso, o método de gelificação ionotrópica para obtenção das esferas biocompósitas, e posteriormente o método de agregação de partículas para formação dos arcabouços. A pesquisa foi dividida em três etapas: a Etapa I se deteve ao desenvolvimento de arcabouços formados por esferas de quitosana/hidroxiapatita, foram testadas três diferentes concentrações de hidroxiapatita; nas Etapas II e III ocorreu à inserção de fármacos, na concentração escolhida a partir da Etapa I, e investigação do perfil de liberação, na Etapa II utilizou-se a curcumina e, na Etapa III a dexametasona. Os arcabouços desenvolvidos foram caracterizados por Espectroscopia na Região do Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), Difração de Raios X (DRX), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Microscopia Ótica (MO), Porosidade (%), Ensaio de Grau de Intumescimento (%GI), Ensaio de Citotoxicidade, Ensaio de compressão (Etapa I), e em função da presença de fármacos nos arcabouços das Etapas II e III, foram realizados ensaios por meio de Espectrofotômetro (UV- VIS). Na Etapa I foi possível observar a formação de arcabouços com estruturas tridimensionais porosas, com poros interconectados e de tamanhos variados. Os resultados indicam que os arcabouços formados têm seus resultados influenciados pelas diferentes concentrações de hidroxiapatita. Com o aumento da fração cerâmica observa-se a densificação da superfície, e pequeno aumento no diâmetro das esferas, afetando: a porosidade dos arcabouços; o %GI e o comportamento mecânico, semelhante a elastômeros. Além disso, estes arcabouços apresentaram boa viabilidade celular com resultados em torno de 70% para todos os arcabouços, independentemente da concentração de HA. As caracterizações realizadas nos arcabouços contendo fármaco, Etapas II e III, indicam que ocorreu uma possível interação entre os grupos ativos da quitosana e dos fármacos. Nos arcabouços formados nessa etapa não foram observadas diferenças significativas na sua morfologia. A porosidade sofreu interferência em relação à concentração do fármaco de modo que, quanto maior a concentração do fármaco menor a porosidade; além disso, estes apresentaram menor %GI que pode ser atribuído as ligações entre a quitosana e os fármacos. Observou-se diminuição na viabilidade celular tanto para os arcabouços de curcumina quanto para os de dexametasona, isso é proporcional ao aumento da concentração de fármacos, e percebe-se que a dexametasona apresentou-se mais citotóxica que a curcumina, pois ela apresentou maior taxa de liberação quando comparada com a curcumina. A partir dos modelos matemáticos, percebe-se que a liberação é controlada pelo processo de difusão e pelo intumescimento/relaxação da cadeia polimérica para os dois fármacos mesmo que em taxas diferentes. O estudo sugere que os arcabouços desenvolvidos necessitam de reajustes para serem aplicados em regeneração óssea, entretanto, apresentam potencial para sistemas de liberação controlada dos dois tipos de fármacos estudados. The studies aimed at the development of scaffolds comprehend to technological innovations, with the insertion of drugs for controlled release. The goal of this research was to develop scaffolds consisting of hydroxyapatite/chitosan, loaded with drug, curcumine or dexamethasone, for the study in controlled drug release. For that purpose, it was used the ionotropic gelation method for obtaining the biocomposite spheres, and, subsequently, the particle aggregation method for the formation of the scaffolds. The research was divided into three steps: the Step I consisted in the development of scaffolds formed by chitosan/hydroxyapatite spheres, with three different concentrations of hydroxyapatite tested; on the Steps II and III occurred the insertion of drugs, in the concentration chosen from the Step I, and investigation of the release profile. On the step II was used curcumine, and on the Step III, dexamethasone. The developed scaffolds were characterized by Fourier Transform Infrared Region Spectroscopy (FTIR), X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Optical Microscopy (OM), Porosity (%), Swelling Degree Assay (%SD), Cytoxycity Assay, Compression Assay (Step I), and, because of the presence of drugs in the scaffolds of the Steps II and II, assays were done by Spectrophotometer (UV-VIS). On the Step I could be observed the formation of scaffolds with porous tridimensional structures, with interconnected pores and with varying sizes. The results indicate that the formed scaffolds have their results influenced by the different concentrations of hydroxyapatite. With the increase of the ceramic fraction, it is observed the densification of the surface, and a small increase in the spheres diameter, affecting: the porosity of the scaffolds; the %SD and the mechanical behavior, similar to elastomers. Furthermore, these scaffolds presented good cell viability with results around 70% for all scaffolds, regardless of the concentration of HA. The characterizations done in the scaffolds containing drug, Steps II and III, indicate that occurred a possible interaction among the amino groups of the chitosan and the drugs. For the scaffolds formed on this step, it were not observed significant differences in their morphology. The porosity suffered interference in relation to the drug concentration, such that, the higher the concentration of the drug, the lower the porosity; moreover, they showed lower %SD, which can be attributed to the hydrophobic nature of the drugs. It was observed a reduction of the cell viability both for curcumine and dexamethasone scaffolds, which is proportional to the increase of the concentration of drugs, and is noted that the dexamethasone was more cytotoxic than the curcumine, since it showed larger release rate when compared to the curcumine. From the mathematical models, it is perceived that the release is controlled by the diffusion process and by the swelling/relaxation of the polymer chain for both drugs, even in different rates. The study suggests that the developed scaffolds need readjustments for application in bone regeneration, however, they exhibit potential for controlled release systems of the two kinds of drug studied.

Peças cerâmicas são normalmente produzidas através da aplicação de calor sobre argilas transformadas, de matérias-primas naturais ou materiais sintéticos, utilizando água e/ou outros aditivos como agentes de ligação, para formar um produto rígido, seguido por um processo de conformação. Alguns dos métodos mais comuns de conformação incluem extrusão, colagem, prensagem, colagem em fita e moldagem por injeção. No entanto, o uso de tecnologias de prototipagem rápida na fabricação de materiais cerâmicos tem aumentado nos últimos anos devido às suas muitas vantagens, porém poucos estudos foram realizados utilizando como matéria-prima a alumina em impressão 3D. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi avaliar a influência de diferentes ligantes (PVA, PVAc e Goma Arábica) nas propriedades físicas de peças de alumina obtidas por impressão 3D por jato de tinta. Além disto, avaliar também a influência da granulometria do pó na confecção destas peças. Porosidade aparente, densidade aparente, retração após tratamento térmico, resistência mecânica e tamanho de poro foram avaliados. Os resultados obtidos demonstraram que as peças com melhor acabamento e propriedades fisicas foram as com o ligante PVA. Ainda, foi aumentado o teor de ligante de 3 para 5% em massa. Nas amostras com 3%, uma granulometria média favoreceu a obtenção de melhores resultados estruturais e de aparência, sendo, por exemplo, os valores de resistência mecânica de 47MPa, porosidade aparente média de 30% e tamanho médio de poro próximo de 21μm. Para a concentração de 5%, foi a granulometria menor que obteve os melhores resultados, onde os valores de resistência mecânica, porosidade aparente média e tamanho de poro, por exemplo, foram de 63MPa, 22% e 21 μm, respectivamente. Para todos os ligantes e granulometrias a retração volumétrica média foi de ~50%. Conclui-se desta forma, que comparativamente, as peças impressas com os resultados mais satisfatórios foram as peças da composição com 5% de ligante PVA, passante em peneira 325 ABNT. Ceramics pieces are typically produced by the application of heat upon processed clays, natural raw materials or chemically synthetic materials, accomplished of water and/other additives as binders, to form a rigid product followed by a shape forming process. Some of the most common forming methods for ceramics include extrusion, slip casting, pressing, tape casting and injection molding. However, the use of rapid prototyping technologies in the manufacture of ceramic materials in the biomedical area has increased in recent years due to its many advantages and few studies are conducted on obtaining alumina pieces intended for biomedical applications by 3D printing. Thus, the aim of this work was to evaluate the influence of different binders (PVA, PVAc and gum arabic) on the final properties of alumina parts obtained by inkjet printing. Moreover, was evaluated the influence of particle size in manufacturing parts. Apparent porosity, apparent density, retraction after thermal treatment, mechanical strength and pore size were evaluated. The results showed that the parts with PVA binder achieved a better appearance and better final properties. Further, the binder amount of 3 was increased to 5%wt. Samples with 3%wt and a mean particle size promoted to obtain the major structural results and appearance being, which for example, the mechanical strength was 47MPa, mean apparent porosity was 30% and mean pore size of 21μm. Samples with 5%wt and the minor particle size achieved the major results, where, for example, the values of mechanical strength, mean apparent porosity and mean pore size were 63MPa, 22% and 21μm, respectively. To all binders and particle size the volumetric shrinkage was ~ 50%. It was concluded, comparatively, the printed parts with the most satisfactory results were samples with 5%wt PVA, sieved at 325 mesh.

A perda ou falha de um órgão ou tecido é um dos problemas mais severos da saúde humana. A engenharia de tecidos, definida como o cultivo e adesão de células humanas in vitro em um scaffold ou arcabouço, surge como uma alternativa viável para reposição de órgãos e tecidos. Estas células proliferam, migram e se diferenciam num tecido específico enquanto produzem os componentes de matriz extracelular (ECM) necessários para criar este tecido. A obtenção de scaffolds fibrosos a partir da blenda polimérica de Poli (Ácido Láctico-co-Glicólico) (PLGA) e Poliisopreno (PI) é proposta como uma alternativa à engenharia de tecidos moles. Este material foi processado como estrutura fibrosa por meio de métodos de gotejamento (FD) e electrospinning (FS). Caracterização físico-química foi aplicada à blenda e às fibras geradas. Também foi averiguada a viabilidade das fibras em culturas de mioblastos murinos, fibroblastos dérmicos humanos, condrócitos bovinos e hepatocarcinomas. Nota-se que o processo de obtenção da blenda não apresentou alterações na estrutura química dos polímeros, sendo apontada também a imiscibilidade entre eles. A ductilidade do material foi apontada como efeito da presença de PI na blenda, embora esta composição apresente similar molhabilidade entre a mistura e os polímeros puros. As fibras geradas por electrospinning geraram um scaffold com menor porosidade do que as fibras obtidas por gotejamento, mesmo apresentando um diâmetro menor e uma orientação paralela entre fibras. As fibras obtidas por gotejamento apresentaram fibras emaranhadas de maior diâmetro, mas maior tammanho de poros, gerando scaffolds de maior porosidade. As propriedades mecânicas de ambos scaffolds indicam sua aplicação enquanto substitutos de tecidos moles. Ensaios de viabilidade celular condenaram o uso das fibras FS, uma vez que estas apresentaram solvente residual no interior da fibra, causando indesejada lise celular. As fibras FD apresentaram resultados de adesão e proliferação adequados para mioblastos, fibroblastos e condrócitos, porém os resultados foram considerados impróprios para hepatócitos. The lost or failure of an organ or tissue is one of the most severe problems in human health. Tissue engineering, defined as the seeding and adhesion of human cells in vitro over a scaffold, arises as an viable alternative for reproduction of organs and tissues. These cells proliferate, migrate and differentiate into a specific tissue while producing extracellular matrix components. The obtaining of fibrous scaffolds from a polymeric blend of Poly (Lactic-co-Glycolic Acid) (PLGA) and Polyisoprene (PI) is proposed as an alternative to soft tissue engineering. This material was processed as a fibrous structure through dripping (FD) and electrospinning (FS) methods. Physical-chemical characterization was applied to the blend and to the generated fibres. Fibres viability was also observed for murine myoblasts, human dermal fibroblasts, bovine chondrocytes and hepatocellular carcinoma cultures. It was noticed that the blending process didn't have any influence over polymer's chemical structure, being observed the immiscibility between the raw materials. Blend's ductile behaviour was pointed out as an effect of PI presence, although this mixture presents similar wettability to the one presented by these raw polymers. Fibres obtained by electrospinnig generated a scaffold with smaller porosity, even presenting fibres with smaller diameter and a parallel organized topography. The fibres obtained by dripping presented a tangled structure of thicker fibres, but assembling a scaffold with higher porosity and inner space. Mechanical properties of both scaffolds indicate their applicability as soft tissue substitutes. Cell viability assays condemn the use of FS fibres, seen that they present residual solvent trapped into the fibre, causing undesirable cell lysis. On the other hand, FD fibres presented positive adhesion and proliferation results for myoblasts, fibroblasts and chondrocytes cell lines, however the results were consider inappropriate for hepatocytes.

Nos últimos anos, intensos estudos vêm sendo realizados no que se refere a substitutos ósseos biocompatíveis e absorvíveis, notadamente os cimentos ósseos de fosfato de cálcio, para cirurgias de reconstrução e em engenharia de tecidos. Porém os cimentos de fosfato de cálcio desenvolvidos apresentam baixa resistência mecânica quando comparados com os ossos do corpo humano. Neste contexto, a busca por alternativas para minimizar esse problema tem se intensificado. A obtenção de alfa-fosfato tricálcico por outras rotas de síntese, bem como o desenvolvimento de compósitos de fosfatos de cálcio e hidrogéis têm se destacado nesse ramo. O preparo destes compósitos permite combinar excelentes propriedades como: i) osteocondutividade e capacidade de formar ligações com o tecido ósseo proporcionado pelos fosfatos de cálcio e ii) facilidade de adesão e distribuição de células no interior de scaffolds, proporcionado pelo hidrogel. O objetivo do presente trabalho foi o desenvolvimento de uma nova metodologia de obtenção de alfa-fosfato tricálcico, o preparo de composições de cimentos de fosfato de cálcio e de hidrogéis, bem como a obtenção e caracterização de compósitos destes, visando o melhoramento das propriedades para aplicação como biomaterial Foi possível sintetizar alfa-fosfato tricálcico com elevado grau de pureza, utilizando-se o método de reação via úmida. Após estudos da ordem de adição e concentração dos reagentes foi possível definir os melhores parâmetros de síntese. Com isso verificou-se a influência do tempo de moagem nas propriedades dos cimentos, sendo constatado que para o fosfato de cálcio preparado pela metodologia proposta, não há necessidade de moagem adicional. Foram testadas formulações de hidrogéis utilizando N-vinil-2-pirrolidona e ou ácido acrílico, utilizando três iniciadores: azobisisobutironitrila, persulfato de amônio e 1- hidroxiciclohexil fenil cetona. Pela adição de formulações de hidrogéis ao cimento foi possível obter compósitos com maior absorção de água, mantendo as propriedades mecânicas, o que pode permitir uma melhor adesão celular ao implante sem comprometer sua estrutura. O ensaio de citotoxicidade in vitro demonstrou que o cimento sintetizado neste trabalho não apresentou efeito tóxico para as células. Mostrando, ainda, a adesão e proliferação de célulastronco mesenquimais e de uma linhagem de osteoblastos. In the last years, intensive studies have been conducted regarding the biocompatible and resorbable bone substitutes, notably calcium phosphate bone cements, for reconstructive surgery and tissue engineering. However, the calcium phosphate cements developed exhibit low mechanical strength when compared with the bones of the human body. In this context, the search for alternatives to minimize this problem has intensified. The obtaining of alphatricalcium phosphate by others synthesis routes, as well as development of calcium phosphate and hydrogels composites has been prominent in this branch. The preparation of these composites allows to combine excellent properties such as: i) osteoconductivity and ability to form bonds with bone tissue, afforded by calcium phosphate and ii) ease of adhesion and distribution of cells in the scaffolds inside, provided by hydrogel. The aim of this work was the development of a new methodology to obtaining alpha-tricalcium phosphate, the preparation of calcium phosphate cements and hydrogels compositions, as well as the obtaining and characterization of composites of these, intended to improve the properties for application as biomaterial. It was possible to synthesize alpha-tricalcium phosphate with high purity using the wet method reaction After studies of the addition order and reagents concentration was possible to define the best synthesis parameters. With that it was verified the influence of milling time on the cements properties to being noted that for the calcium phosphate prepared by the proposed method, there is no need additional milling. Were tested hydrogel formulations using N-vinyl-2-pyrrolidone and/or acrylic acid, using three initiators: azobisisobutyronitrile, ammonium persulfate and 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone. By the addition of the hydrogel formulations to the cement was possible to obtain composites with higher water absorption by keeping the mechanical properties, which may permits better vascularization of the implant without compromising its structure. The in vitro cytotoxicity assay demonstrated that the cement synthesized in this work does not show any toxic effect on the cells. Also, showing the adhesion and proliferation of mesenchymal stem cells and an osteoblast line.

Orientador: Cecilia Amelia de Carvalho Zavaglia Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O fosfato tricálcico (TCP) é um dos fosfatos de cálcio mais importantes dentre os utilizados como biomateriais devido à sua biocompatibilidade, bioatividade, biorreabsorbilidade e osteocondutividade. A fase ? (?-TCP) se destaca, principalmente, devido à sua conversão em hidroxiapatita deficiente em cálcio após implantação. Entretanto, é difícil obter ?-TCP de elevada pureza, o que prejudica sua reatividade e seu desempenho in vivo. O objetivo principal deste trabalho é sintetizar ?-TCP de elevada pureza. Para isso, o pó de ?-TCP foi obtido via reação de estado sólido. Os reagentes precursores foram sintetizados em laboratório a fim de se diminuir o nível de impurezas, principalmente o magnésio. Após analisados e validados, os reagentes foram misturados nas devidas proporções e o pó de ?-TCP calcinado sob diversos protocolos: diferentes temperaturas sob mesmo tempo de patamar; mesma temperatura sob diferentes tempos de patamar; mesmo tempo e temperatura de patamar com condições de resfriamento distintas. Analisou-se a influência de cada variável na cinética da reação: tempo, temperatura, resfriamento. Foi obtido pó de ?-TCP (2g) com 100% de pureza sob temperaturas (1265ºC) e tempos (2h) menores que os registrados em literatura, sem a necessidade de choque térmico. O protocolo foi validado também para grandes quantidades de material (50g), em que o nível de pureza também foi de 100% Abstract: Tricalcium phosphate (TCP) is one of the most important calcium phosphates used as biomaterials due to their biocompatibility, bioactivity, osteoconductivity and bioresorbability. Among them, ?-TCP goes beyond due to its conversion into calcium deficient hydroxyapatite after implantation. However, it is difficult to obtain high purity ?-TCP, which prejudices its reactivity and its performance in vivo. The main purpose of this work is to synthesize high purity ?-TCP. For this, ?-TCP powder was obtained by solid state reaction. The precursor reagents were synthesized in the laboratory in order to reduce the level of impurities, particularly magnesium. After analyzed and validated, reagents were mixed in the proper proportions and ?-TCP powder calcined under various protocols: variable temperature and constant time; constant temperature and variable time; constant time and temperature with different cooling conditions. The influence of each variable on the reaction kinetics was evaluated: time, temperature and cooling. ?-TCP powder (2g) was obtained with 100 % purity at temperatures (1265 °C) and times (2h) lower than those mentioned in the literature without thermal shock. The protocol was also validated for more material mass (50g), wherein the purity level was also 100% Doutorado Materiais e Processos de Fabricação Doutor em Engenharia Mecânica

Os cimentos de fosfato de cálcio (CFC) são substitutos ósseos com grande potencial de utilização em ortopedia, traumatologia e odontologia devido à sua biocompatibilidade, bioatividade, osteocondução e osteotransdutividade. Uma das grandes dificuldades do uso deste tipo de cimento é a sua baixa resistência mecânica, devido à presença de fases indesejáveis, como a fase beta-fosfato tricálcico. Com o objetivo de se obter cimentos de fosfato de cálcio mais resistentes, foram estudadas as condições de obtenção do alfa-TCP nas temperaturas de 1300ºC, 1400ºC e 1500ºC com tempo de calcinação de 2h. As amostras de cimento foram analisadas quanto às fases cristalinas, densidade, porosidade e resistência mecânica. O CFC foi misturado com líquido de cura contendo 1, 2 e 3% de alginato de sódio e conformado em corpos de prova, verificando-se a influência destas concentrações no tempo de cura do cimento, na porosidade aparente, na formação de fases cristalinas e na resistência à compressão. Todos os testes foram realizados após cura por 24 horas em ambiente com 100% de umidade e imersos em SBF (Simulated Body Fluid) por 1, 7, 14 e 21 dias. Os resultados obtidos demonstram que as temperaturas de síntese estudadas influenciam fortemente nas fases obtidas e nas propriedades mecânicas do cimento resultante. Observou-se um significativo incremento da resistência à compressão adicionando-se alginato de sódio ao CFC e que o sistema de CFC e alginato de sódio possibilitou a validade do uso de prototipagem de corpos de prova com resistência mecânica adequada ao manuseio. The calcium phosphate cements (CPC’s) are bone substitutes with great potential for use in orthopedics, traumatology and dentistry due to its biocompatibility, bioactivity, osteoconduction and osteotransduction. One of the major difficulties in employing this type of cement is its low mechanical strength because of the presence of unwanted phases, such as beta-tricalcium phosphate phase. With the objective to obtain calcium phosphate cements more resistant, the conditions for obtaining alpha-TCP at temperatures of 1300ºC, 1400 ° C and 1500 ° C with a time of 2h calcination were studied. Cement samples were analyzed for crystalline phases, density, porosity and mechanical strength. CPC was mixed with setting liquid containing 1, 2 and 3% of sodium alginate and formed into test specimens, verifying the influence of these concentrations in setting time of the cement, the porosity, the formation of crystalline phases and resistance to compression. All tests were performed after curing for 24 hours in an environment with 100% humidity and immersed in SBF (Simulated Body Fluid) for 1, 7, 14 and 21 days. The results show that the synthesis temperatures studied strongly influence the obtained phases and the mechanical properties of the resulting cement. There was a significant increase in compressive strength by adding sodium alginate CPC and CPC system and sodium alginate enabled the validity of the use of prototyping specimens with adequate handling strength.

Os cimentos de fosfato de cálcio (CFCs) têm atraído grande interesse para uso em ortopedia e odontologia como substitutos para partes danificadas do sistema esquelético, mostrando boa biocompatibilidade e osteointegração, permitindo sua utilização como enxerto ósseo. As características que determinam os CFCs biomateriais atrativos para a reconstituição ou remodelação óssea, são a facilidade de manipulação e moldagem, sem ter de dar forma prévia ao implante, adaptando-se totalmente à forma da cavidade óssea. Diversos estudos, têm mostrado que a adição de aditivos poliméricos tem uma forte influência sobre as propriedades do cimento. A baixa resistência mecânica é o principal obstáculo a uma maior utilização de CFC como material de implante. O objetivo deste trabalho foi avaliar as propriedades de um cimento com base em α-fosfato tricálcico (α -TCP ), adicionado de PVA (poli (álcool vinílico)) (10%, 8%, 6%), hidrogel de PVA (10%,8%,6%) reticulado com ácido cítrico (10%), hidrogel de alginato de sódio (2%) e poliacrilato de amônia (1%), todos em massa, foram adicionados ao pó de α -TCP sintetizado. As amostras foram moldadas e avaliadas quanto à densidade, porosidade, teste ―in vitro‖ (Simulated Body Fluid), fases cristalinas e propriedades mecânicas. Os resultados mostram o aumento das propriedades mecânicas do cimento, quando adicionado destes polímeros. A reticulação dos hidrogéis de PVA com ácido cítrico foi eficiente.O hidrogel de PVA, o hidrogel de alginato de sódio e o poliacrilato de amônia agiram como redutor de líquido. The calcium phosphate cements (CPCs) have great interest for use in orthopedics and dentistry as replacements for damaged parts of the skeletal system, showing good biocompatibility and osseointegration, allowing its use as a bone graft. The characteristics that determine CPCs attractive biomaterials for bone remodeling or rebuilding, is ease of handling and molding, without having to shape prior to implantation, adapting itself fully to the shape of the bone cavity. Several studies in literature have shown that the addition of polymeric additives has a strong influence on the mechanical properties of cement. The low mechanical strength is the main impediment to a broader use of calcium phosphate bone cement as implant material. The aim of this work was evaluate the strength of a CPC based on α-tricalcium phosphate, with polymeric additions. CPC was synthesized and PVA (poli (vinyl alcohol)) (10%, 8%, 6%), sodium alginate hydrogel (2%) and ammonium polyacrylate (1%), all by weight, were added to the powder. Specimens were molded and evaluated for density, porosity, in vitro test (Simulated Body Fluid), crystalline phases and mechanical properties. The results show the increase of the mechanical properties of cement when added of polymeric additives. The crosslinking of PVA hydrogels with citric acid was effective. The PVA hydrogel, the hydrogel sodium alginate and ammonium polyacrylate acted as a reducing liquid.

O processo de moldagem por injeção (MPI) de pós é uma técnica de fabricação de peças metálicas, cerâmicas, compostos intermetálicos e compósitos a partir de um processo inicialmente e amplamente utilizado na manufatura de componentes plásticos. A adaptação do processo de moldagem por injeção para a obtenção de componentes e peças de outros materiais iniciou na década de 1970 e desde então muitos avanços formam obtidos. Entretanto devido à complexidade do processo MPI ainda há muitos pontos a serem explorados, como a escolha do ligante e sua influencia nas etapas do processo. Este trabalho efetuou o desenvolvimento de um novo ligante para o processo MPI baseada em poli (isopreno) (látex natural) como polímero primário, que é oriundo de fontes naturais renováveis. Os ligantes estudados são formados pela borracha natural e parafina, que são os polímeros que promoverão as propriedades mecânicas da peça injetada e fluidez necessária para a moldagem por injeção das peças, respectivamente. Estudou-se a proporção entre os componentes poliméricos do ligante e o método de mistura entre os componentes da mistura injetável nas propriedades de processamento, remoção do ligante e propriedades finais das peças sinterizadas, como densidade, retração e resistência mecânica. Quatro extrações térmicas com diferentes ciclos de aquecimento foram avaliadas com base nas propriedades térmicas dos componentes do ligante. Analisou-se misturas com 60 e 70% em volume de alumina (Almatis, A16-SG) e a influencia do aumento da concentração de pó em todas as etapas do processo MPI. Os ligantes em mistura de 70% em vol. de alumina e contendo maior proporção de parafina apresentaram melhores propriedades de processamento, bom acabamento superficial, menos defeitos internos e, por consequência, melhor resistência mecânica. Defeitos oriundos da etapa de moldagem por injeção foram registrados em todas as amostras, e estes defeitos determinaram a resistência mecânica destas. Mesmo com a presença de defeitos a amostra A70 (L2:P3) M1 obteve resistência à flexão de 268 MPa, valor condizente com a literatura. O sistema ligante desenvolvido apresentou características adequadas para uso no processo MPI, sendo necessários estudos posteriores para diminuição de defeitos internos, oriundos do processo de injeção, para aumento das propriedades mecânicas dos materiais injetados. The powder injection molding process (PIM) is a technique of manufacturing ceramic, metal, intermetallic compounds, and composites parts. Initially it was used for manufacture of plastic parts. Adjust of injection molding process for manufacture of others materials starts in 1970s, and several advances were obtained ever since. Due to high complexity of PIM process, there are still many process points to be explored, as the choice of binder and it influences in the PIM steps. This dissertation proposes the development of a new binder for the powder injection molding (PIM) process based on poly (isoprene) (natural latex) as the primary polymer that is derived from renewable natural sources. The binders investigated are formed by natural rubber (NR) and paraffin wax, which are the polymers that promote the mechanical properties of the molded part and fluidity necessary for injection molding parts, respectively. We studied the ratio between the polymeric components of the binder and the method of feedstock mixing in the processing properties, the binder removal and properties of sintered parts, such as density, shrinkage and mechanical strength. Four thermal extractions with different thermal heating cycles were tested based on the thermal properties of the components of the binder. Were examined feedstock with 60 and 70% by volume of alumina (Almatis A16-SG) and the influence of increased powder concentration in all process PIM steps. The feedstock with 70% by vol. alumina and containing a high ratio of paraffin had excellent processing properties, good surface finish, less internal defects and hence better mechanical strength. Defects from the injection molding step were recorded for all samples, and these defects have determined the mechanical strength. Even with the presence of defects, the sample A70 (L2:P3) M1 obtained flexural strength of 268 MPa, value consistent with the literature. So the binder system showed suitable characteristics for PIM process, further studies are needed to decrease internal defects arising from the injection process to increase the mechanical properties of parts.

A utilização de biomateriais a base de fosfato de cálcio tem revolucionado a medicina no reparo de partes danificadas do sistema ósseo. Dentre estes, os cimentos a base de fosfatos de cálcio de pega hidráulica tem despertado grande interesse em função de sua biocompatibilidade e endurecimento “in situ”, o que permite uma maior facilidade de manipulação e adaptação à forma e dimensões do defeito ósseo. Entretanto, estes cimentos possuem baixa resistência mecânica quando comparados com os ossos do corpo humano. Neste presente trabalho foi estudado a obtenção de pós de cimento de fosfato de cálcio e adicionados a fibras de poli(ácido co-glicólico) (PLGA) e Alginato de Sódio, visando o aumento das propriedades mecânicas destes cimentos. Foi utilizado um novo método de obtenção de fibras por gotejamento em reagente, tanto para o PLGA e o Alginato de Sódio, sendo depois congeladas essas fibras e liofilizadas. Ambos os métodos de obtenção de fibras por gotejamento foram Patenteados, além de publicações em revistas e congressos internacionais. Com este mecanismo foi possível obter-se fibras por método inovador e reforçar a matriz, o que favoreceu o aumento das propriedades mecânicas, permitindo, assim, a obtenção de materiais mais resistentes. Os materiais obtidos foram utilizados na construção de scaffolds para crescimento tecidual, possibilitando manter uma maior integridade mecânica. The use of biomaterials based on the calcium phosphate has revolutionized the medicine to repair damaged parts of the skeletal system. Among these, the cements based calcium phosphates handle hydraulic has been much interest due to its biocompatibility and hardening "in situ", allowing greater ease of handling and adjustment to the shape and dimensions of the bone defect. However, these cements have lower mechanical strength when compared with the bones of the human body. In the present work to obtain powders of cement of calcium phosphate and added to fibers of poly (co-glycolic acid) (PLGA) and sodium alginate, in order to increase the mechanical properties of these cements. We used a novel method for obtaining fibers in drip reagent for both PLGA and sodium alginate; the fibers are then frozen and lyophilized. Both methods of obtaining fibers were patented drip, as well as publications in international journals and conferences. With this mechanism it was possible to obtain novel method for fibers and strengthen the matrix, thus favoring increased mechanical properties, thus allowing obtaining more resistant materials. The materials were used in the construction of scaffolds for tissue growth, allowing greater maintain mechanical integrity.

Operationen im Schädel‐ und Gesichtsbereich stellen nach wie vor eine große Herausforderung für die behandelnden Ärzte dar, weil sich oftmals die Abgrenzung des Knochendefekts und die Wiederherstellung der ursprünglichen Knochenstruktur als schwierig erweisen. Die erste Herausforderung dabei ist die Definition der Implantatgeometrie, da jeder Patient eine individuelle Anatomie und, im Falle eines Knochendefekts durch Traumata oder Tumore, jeder Defekt eine spezifische Form aufweist. Das Implantat sollte somit eine der originalen Knochenstruktur entsprechenden Geometrie besitzen und aus einem für die Implantation geeigneten Material bestehen. Weiterhin muss das für die Herstellung des Implantats gewählte Verfahren derart anpassungsfähig sein, dass auch die Erzeugung eines einzelnen individuellen Produktes möglich ist und keine übermäßigen Kosten im Werkzeug‐ und Formenbau verursacht werden. Im gegenwärtigen Szenario flexibler Herstellungsprozesse, die eine effiziente Blechumformung auch in kleineren Stückzahlen erlauben, liegt ein besonderer Schwerpunkt auf dem Verfahren der inkrementellen Umformung. In dieser Arbeit wird daher die Durchführbarkeit der präoperativen Herstellung individueller Implantate zur Wiederherstellung knöcherner Strukturen verschiedener Regionen im Schädel‐ und Gesichtsbereich mit dem Verfahren der inkrementellen Blechumformung untersucht. Dabei wurden unterschiedliche Methoden zur Modellierung von Implantaten aus patientenspezifischen CT‐Daten angewendet und Prozessparameter für die Herstellung verschiedener Formen von Titanimplantaten entwickelt. Ferner werden alternative Techniken vorgestellt, mit denen es ebenfalls möglich ist, solche Implantate herzustellen. Gleichwohl es Einschränkungen hinsichtlich der Formgenauigkeit und Komplexität der zu formenden Geometrie des Implantates gibt, zeigt diese Arbeit, dass das Verfahren der inkrementellen Blechumformung eine geeignete Alternative für die präoperative Herstellung von individuellen Implantaten für den Schädel‐ und Gesichtsbereich darstellt. Atualmente, cirurgias de reconstrução craniofacial ainda são um desafio à equipe cirúrgica devido às dificuldades em definir e reparar o defeito ósseo. A definição da geometria do implante é o primeiro desafio, uma vez que cada paciente possui uma anatomia individual e, em caso de defeitos ósseos devido a traumas ou tumores, cada defeito possui uma forma específica. O implante deve, então, possuir geometria tal que o possibilite substituir a estrutura original e ser constituído de material apto para a implantação. Além disso, o processo de fabricação selecionado deve ser flexível a fim de possibilitar a produção de uma peça única, dispensando custos excessivos com ferramental. No cenário atual de processos de manufatura flexível, um destaque especial recebe o processo de estampagem incremental, que permite a conformação de chapas metálicas para a fabricação de pequenos lotes. Neste sentido, este estudo ocorre no âmbito da fabricação pré‐operatória de implantes personalizados para reparo de defeitos em diferentes regiões do complexo craniofacial através do processo de estampagem incremental. Foram utilizados diferentes procedimentos para modelagem dos implantes a partir de dados tomográficos e foram desenvolvidos parâmetros para a conformação de diferentes geometrias em titânio. São apresentadas, ainda, técnicas alternativas capazes de produzir tais implantes. O estudo mostra que, embora possua precisão dimensional limitada e restrições com relação à complexidade geométrica dos implantes que podem ser conformados, o processo de estampagem incremental apresenta‐se como uma alternativa viável à fabricação pré‐operatória de implantes personalizados para a reconstrução de defeitos craniofaciais. Currently, craniofacial reconstruction surgeries are still a challenge for surgical teams due to the difficulty to define and repair bone defects. Defining the geometry of the implant is the first challenge, since each patient has an individual anatomy and, in case of bone defects due to trauma or tumors, each defect has a specific shape. The implant should then have a geometry that permits the replacement of the original structure and should consist of a material suitable for implantation. Moreover, the selected manufacturing process must be flexible enough to enable the production of a single piece, not requiring excessive cost with dyes and tooling. In the current scenario of flexible manufacturing processes, the process of incremental forming, which permits forming metal sheets to manufacture small batches, receives special emphasis. Thus, this study evaluates the feasibility of preoperative manufacturing of customized implants to repair defects in different regions of the craniofacial complex through the process of incremental forming. Different procedures were used for modeling implants obtained from CT data of patients and the parameters for forming different geometries of titanium implants were developed. Alternative techniques capable of producing such implants are also presented. The study shows that, although it has limited dimensional accuracy and restrictions regarding the geometric complexity of the implants that can be shaped, the single point incremental forming (SPIF) process represents a suitable alternative for the preoperative manufacturing of customized implants for the reconstruction of craniofacial defects.

O objetivo deste trabalho foi desenvolver uma metodologia para a preparação de compósitos de polidimetilsiloxano (PDMS)/fosfato de cálcio elaborado mediante a técnica biomimética. O processo envolveu a precipitação de partículas de fosfato de cálcio dentro da matriz elastomérica de PDMS durante a elaboração do compósito. A composição química da fase de reforço foi avaliada mediante difração de raios X (DRX) e espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDS). Micrografias obtidas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) mostraram partículas pequenas (200 nm) de fosfato de cálcio homogeneamente distribuídas e dispersas na superfície do compósito. A influência da fase de reforço na energia de superfície, resistência mecânica, bioatividade e viabilidade celular do compósito foram medidas. A incorporação das partículas no PDMS levou ao aumento dos valores da energia de superfície. Os resultados do ensaio de resistência mecânica à tração mostraram que o compósito elaborado com 25 %(v/v) de reforço apresentou um aumento de 15 % de resistência à tração com relação ao PDMS puro. O ensaio de biatividade in vitro mostrou que após de 7 dias de imersão em fluido biológico simulado (SBF), uma camada homogênea de cristais com a morfologia da hidroxiapatita foi precipitada na superfície do compósito, este resultado sugere que o compósito poderá demonstrar uma excelente bioatividade uma vez implantado in vivo. The main objective of this study was to develop a method to prepare poly(dimetilsiloxane) (PDMS)/calcium phosphates composites by using the biomimetic technique. The process involved the precipitation of calcium phosphate particles within the PDMS matrix during the composite fabrication. The chemical composition of the filler phase was studied by means of X-ray diffraction (XRD) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Scattering electron microscopy (SEM) micrographs showed tiny particles (200 nm) of calcium phosphate evenly distributed and dispersed on the composite surface. The influence of the filler phase on the composite surface energy, tensile strength, bioactivity and cellular viability were assessed. The incorporation of the particles to the PDMS led to higher surface energy values. The tensile measurements showed that the composite made with 25 %(v/v) of filler achieved a 15 % increased in the tensile strength, once compared to the pure PDMS. The in vitro bioactivity essay showed that after 7 days of soaking in simulated body fluid (SBF) a homogeneous layer of HAp like crystals can be seen on the composite surface, this result suggested that the composite will demonstrate a excellent bioactivity once implanted in vivo.

Os cimentos de fosfato de cálcio apresentam uma série de vantagens de utilização em ortopedia e traumatologia, sendo as mais destacadas a sua biocompatibilidade e bioatividade, as quais permitem a osteocondução dos tecidos ósseos e o endurecimento “in situ”, permitindo maior facilidade de manipulação. Entretanto; através dos métodos convencionais de reação no estado sólido há uma grande dificuldade em se obter a fase α- fosfato tricálcico pura. Com o desenvolvimento deste trabalho foi possível sintetizar a fase α-fosfato tricálcico nanoestruturado com elevado grau de pureza, utilizando-se o método de síntese de combustão em solução. Após os estudos da influência do pH, da natureza do combustível (uréia ou glicina) e dos teores estequiométricos de combustível (0,75; 1,0; 1,5 e 2,0) foi possível definir os melhores parâmetros de síntese (pH 1,5 e combustível uréia em teor duas vezes maior do que o estequiométrico). Com a definição dos parâmetros ótimos de reação, estudou-se a viabilidade de sua utilização como cimento de fosfato de cálcio. Nesta etapa verificou-se a influência do tamanho de partícula através do tempo de moagem. Para tempo de moagem de 180 minutos foram obtidos valores de resistência mecânica à compressão de até 30,4 MPa. Porém após a imersão em solução de plasma sanguineo simulado (SBF) em tempos crescentes de até 28 dias, ocorreu a diminuição desta propriedade o que é indicativo da alta solubilidade dos pós de α-fosfato tricálcico obtidos via síntese de combustão em solução. O ensaio de citotoxicidade In Vitro demonstrou que o CFC sintetizado neste trabalho não apresentou efeito tóxico para as células. Na sequência do trabalho, investigou-se a viabilidade da aplicação do CFC como substituto ósseo e como carga cerâmica em criogéis poliméricos para utilização em engenharia de tecidos. Inicialmente utilizou-se o sistema dimetilaminoetil metacrilato (DMAEMA) com a adição de 5% de um ácido acrílico (ácido acrílico ou ácido metacrílico), porém tal sistema se mostrou muito instável e apresentou baixa reprodutibilidade. Dessa forma, substituiu-se o ácido acrílico pelo monômero hidroxietil metacrilato (HEMA), pelo fato de o último possuir maior estabilidade química e melhores propriedades mecânicas. Com o uso deste sistema foram obtidos arcabouços porosos através do método de criopolimerização com porosidade de até 75% e poros de até 1 milímetro de diâmetro. A adição de α-fosfato tricálcico às estruturas porosas pouco influenciou nas propriedades físicas da rede polimérica e nas propriedades mecânicas dos arcabouços porosos, porém aumentou significativamente a biocompatibilidade destes, permitindo a adesão e a proliferação de células tronco mesenquimais. A presença de colágeno do tipo I e de fosfatase alcalina são bons indicativos de que as células tronco mesenquimais estão se diferenciando em tecido ósseo e demonstram o potencial destes materiais para o seu uso como biomaterial e mais especificamente como substitutos ósseos. The calcium phosphate cements have a large number of advantages regarding its use in orthopedics and traumatology, being the most prominent its biocompatibility and bioactivity, which allows the osteoconductive of bone tissue and in situ hardening, allowing greater ease of handling. However, the use of conventionals synthesis methods, e.g. solid state reactions, brings great difficulty to the obtainment of highly pure α- tricalcium phosphate phase. In this thesis, the use of the solution combustion synthesis method allowed to synthesize nanostructured α-tricalcium phosphate with high purity. Further studies on pHs influence, fuel natures (urea or glycine) and fuel ratio (0.75, 1.0, 1.5 and 2.0) allowed to define the best synthesis parameters (pH 1.5 and urea fuel content in two times higher than the stoichiometric). After choosing the best paramaters to the obtainment of higly pure α-tricalcium phosphate, we studied the feasibility of their use as calcium phosphate cement (CFC) by studing the influence of particle size by increasing the milling time from 30 to 180 minutes. The better results were found for the milling time of 180 minutes. Compressives strength of up to 30.4 Mpa were obtained for this formulation. However, after soaking the calcium phosphate cements in simulated blood plasma (SBF) in growing times up to 28 days, a decrease in the compressive strenght was noticed, which is an indicative of the high solubility of the α-tricalcium phosphate powders obtained by solution combustion synthesis. After the obtainment of the calcium phosphate cements, its application as bone substitute and as ceramic load in polymeric cryogels for use in tissue engineering were studied. Initially, the system dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA) with 5% of an acrylic acid (acrylic acid or methacrylic acid) was used, but due its great instability and lack of reproductbility this system was abandoned. Since it has greater chemical stability and good mechanical properties, the monomer hydroxyethyl methacrylate (HEMA) was chosen as pair to the DMAEMA monomer. With the use of this polymeric system, porous scaffolds with porosity of up to 75% and pores up to 1 mm in diameter were obtained by the method of cryopolymerization. The addition of α-tricalcium phosphate to the porous scaffolds did not showed a significant influence on physical properties of the polymer network nether on mechanical properties of porous structures. However, it increased significantly the biocompatibility of the scaffolds, allowing the adhesion and proliferation of mesenchymal stem cells. The presence of type I collagen and alkaline phosphatase are good indicators that mesenchymal stem cells are differentiating into bone tissue and demonstrate the potential application of these materials as biomaterials, more specifically as bone substitutes.

O aumento da longevidade da população mundial e dos acidentes com consequências traumáticas nas últimas décadas provocaram um incremento na demanda de materiais e tecnologias destinados à substituição de alguma função ou porção do organismo humano para assegurar a qualidade de vida do ser humano. Neste contexto, o desenvolvimento de novos biomateriais para a ortopedia e odontologia baseados nos fosfatos de cálcio é relevante, uma vez que estes apresentam composição química semelhante à fase mineral de ossos e dentes. Os cimentos de fosfatos de cálcio (CPC) possuem composição de fases cristalinas e resposta biológica similares às biocerâmicas de fosfato de cálcio utilizadas como material de implante por excelência devido à sua alta biocompatibilidade e excelente bioatividade; mas com a diferença de que estes podem ser facilmente moldados e adaptados ao local de implantação, injetados através de vias minimamente invasivas, ou misturados com diversos fármacos para obter uma ação terapêutica determinada e localizada no local de implantação. Em geral, tanto as biocerâmicas como os CPC apresentam baixas resistências mecânicas, pelo qual o objetivo principal deste trabalho foi a obtenção de novas formulações de CPC com propriedades mecânicas melhoradas mediante a adição de componentes de cimento Portland tradicional ou de cimento de aluminato de cálcio. Outras propriedades que se pretende melhorar com a adição de compostos portadores de silício são a bioatividade e osteogenicidade dos materiais resultantes, uma vez que os cimentos baseados em silicato de cálcio são altamente osteogênicos. Para isto, foi escolhido o sistema baseado em a-Ca3(PO4)2 e foram desenhadas diferentes formulações através da introdução de Ca3SiO5 (C3S) ou CaAl2O4 (CA), fases majoritárias dos cimentos Portland e cimentos de aluminato de cálcio que apresentam uma excelente resistência mecânica, além de ser biocompatíveis e bioativas. Do estudo realizado verificou-se que a adição de um 5% de C3S ao cimento baseado em a- Ca3(PO4)2 produz um incremento das propriedades mecânicas em longo prazo (14d) e melhora a bioatividade e citotoxicidade dos CPC tradicionais; no entanto, retarda a pega do cimento e a hidrólise do a-Ca3(PO4)2 e aumenta a o grau de degradação dos materiais. A introdução de SiO2 como modificação de esta formulação, embora diminuiu o pH resultante, retardou a pega do cimento provocando uma perda notável da resistência mecânica durante os primeiros estágios da reação. Por outro lado, a introdução de CA provocou uma diminuição da resistência à compressão dos cimentos, independente do teor adicionado, e não se observou a melhoria desta propriedade com o aumento do tempo. Contudo, a presença de CA permitiu a obtenção de materiais menos citotóxicos, e por consiguiente mais biocompatíves, assim como o aumento da bioatividade em relação aos CPC tradicionais. The increased longevity of the world population and the growth of traumatic accidents in last decades, led to an increase in demand of materials and technologies for replacement of any portion or function of the human body to ensure the quality of human life. In this context, the development of new biomaterials for orthopedics and dentistry based on calcium phosphates is relevant, since they have similar chemical composition to the mineral phase of bones and teeth. The calcium phosphate cements (CPC) have composition of crystalline phases and biological response similar to calcium phosphate bioceramics used as implant material par excellence due to its high biocompatibility and excellent bioactivity; but with the difference that these can be easily shaped and adapted to the site, injected through minimally invasive means, or mixed with various drugs for a specific therapeutic action at the site of implantation. In general, both bioceramics such as CPC have low mechanical strength; whereby, the main objective of this study was to obtain new formulations of CPC with improved mechanical properties by adding components of traditional Portland cement or calcium aluminate cement. Other properties that are intended to improve with the addition of silicon compounds, are the bioactivity and osteogenic potential of the resulting materials, as it cements based on calcium silicate are highly osteogenic. For this, we chose a system based a-Ca3(PO4)2 and different formulations were designed by introducing Ca3SiO5 (C3S) or CaAl2O4 (CA), majority phases of Portland cement and calcium aluminate cements that have an excellent mechanical strength, and are biocompatible and bioactive. From the study it was found that the adittion of a 5% C3S to the a-Ca3(PO4)2 based cement, produces an increase in the mechanical properties in the long term (14d) and enhances bioactivity and cytotoxicity; however, enlarge the setting times and the degree of degradation ofaand hydrolysis of materials. The introduction of SiO2 as a modification of this formulation, resulted in a pH decreased, but in the increased of the setting times causing a noticeable loss of strength during the early stages of the reaction. Moreover, the introduction of CA reduced the compressive strength of cements, regardless of content added, and there was no improvement of this property with increasing time. However, the presence of CA allowed the production of materials less cytotoxic, and thereby to more biocompatible, as well as the increase in bioactivity relative to traditional CPC.

A conformação de dispositivos médicos implantáveis a partir de uma blenda exige o desenvolvimento de um produto com propriedades próximas do comportamento ideal, combinando propriedades térmicas e mecânicas e boa resposta tecidual. O Poli (ácido láctico-co-glicólico) (PLGA) e o Poli (isopreno) (IR) foram escolhidos como componentes da blenda com finalidade de promover boa biocompatibilidade e características mecânicas especificas. As blendas foram obtidas por dissolução dos polímeros em solvente orgânico, seguida de secagem. Para determinar a influência do teor de IR sobre as propriedades da blenda, foram realizados ensaios de espectroscopia na região de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), calorimetria diferencial de varredura (DSC), análise dinâmico-mecânica (DMA), microscopia óptica por luz polarizada (POM), análise de dureza, ensaio de tração e análise de viabilidade celular. A presença de IR na blenda provocou alteração na estrutura molecular semi-cristalina do PLGA, bem como influenciou o comportamento mecânico analisado a partir da curva tensão-deformação do material. A blenda se mostrou biocompativel em ambiente celular e em ensaios preliminares em animais, apresentando potencial para aplicação como biomaterial. The conformation of an implantable medical device from a polymeric blend requires the development of a product with properties as close as possible of ideal behavior with the combination between thermal and mechanical properties and good tissue response. The poly (lactic-co-glycolic acid) (PLGA) and the poly (isoprene) (IR) were chosen as the blend components to promote good biocompatibility and specific mechanical characteristics. The blends were obtained by dissolution of polymers in organic solvent, followed by drying. In order to determine the IR content influence over the blend properties, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), differential scanning calorimetry (DSC), dynamic mechanical analysis (DMA), polarized light optical microscopy (POM), hardness analysis, tensile test and cell viability test were carried out. The IR presence caused changes in semi-crystalline molecular structure of PLGA, as well as actuated over the mechanical response analyzed on material’s stress-strain curve. The blend showed itself biocompatible at cellular environment and at preliminary animal tests, presenting potential for application as biomaterial.

Este trabalho teve por objetivo obter revestimento de carbeto de silício para esferas combustíveis utilizadas em reatores nucleares do tipo FBNR, através da sinterização de SiC por reação com silício metálico (RBSiC). As matérias-primas foram moídas em moinho de bolas por 24 horas e as temperaturas utilizadas na sinterização foram de 1500° e 2000°C, durante tempos que variaram de 30 a 240 minutos. As amostras foram caracterizadas quanto a fases cristalinas, densidade, microestrutura e resistência mecânica. As peças sinterizadas a 2000°C apresentaram valores de resistência mecânica na faixa de 95 MPa, e densidade de cerca de 90% foram alcançadas, superiores aos valores encontrados para 1500°C.Foram obtidos revestimentos com as técnicas de gel casting e spin coating. A resistência mecânica desses revestimentos foi de, aproximadamente, 50% das amostras sinterizadas a 2000°C. The aim of this work was to get covering of silicon carbide for use in nuclear fuel reactors of type FBNR, through the sintering of SiC by reaction bonded silicon carbide (RBSiC). The samples were homogenized in a ball mill and the sintering temperatures were 1500°C and 2200°C, during times that varied of 30 until 240 minutes. The product was characterized by crystalline phases, density, microstructure and mechanical resistance. The samples sintering at 2000°C had presented values of mechanical resistance around of 95 MPa, and density around 90%, better that samples sintering at 1500°C. Gel casting and Spin coating techniques had success in coverings process. The mechanical resistance of this coverings were around 50% of the samples sintering at 2000°C.

Orientador: Cecilia Amelia de Carvalho Zavaglia Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: A hidroxiapatita e a titânia são cerâmicas muito pesquisadas no mundo inteiro, graças às suas excelentes qualidades em diversas áreas, porém neste trabalho o foco foi a sua utilização como biomateriais. Neste trabalho é apresentada a síntese e a caracterização de hidroxiapatita e titânia nanoestruturadas e a fabricação e caracterização de compósitos a partir destes materiais. Os métodos de obtenção de hidroxiapatita foram as rotas sol-gel convencional, sol-gel com sacarose e sol-gel com glicose. Para a síntese da titânia foi utilizado um método desenvolvido no laboratório. Foram utilizados na caracterização da hidroxiapatita: difração de raios X associado com a equação de Scherrer, fluorescência de raios X, microscopia eletrônica de varredura e ensaio mecânico de compressão. Para a titânia foram utilizados os mesmos tipos de caracterização, porém com a adição da espectroscopia Raman. Os resultados foram excelentes podendo ser destacados: baixo custo dos reagentes, facilidade de realização dos processos de síntese, pequenos nanocristalitos com 52 a 100nm para hidroxiapatita e 27 a 62nm para a titânia. O compósito apresentou boa distribuição entre as partículas de hidroxiapatita e titânia e uma evidente melhora na resistência à compressão quando comparado com o pó compactado de hidroxiapatita sem reforço Abstract: Hydroxyapatite and titania are ceramics which have been given a lot of attention around world because of their outstanding properties in multiple fields such as the one of biomaterials which is the aim of this work. The synthesis and caracterization of nanostructured hydroxyapatite and titania, for composites fabrication is presented in this work. The synthetic routes employed for the hydroxyapatite synthesis were the conventional sol-gel process, the sol-gel process with sucrose, and sol-gel process with glucose. The synthesis of titania was performed by a method developed in the laboratory. Hydroxyapatite characterization was made by: X-ray diffraction associate with the Scherrer equation, X-ray fluorescence, scanning electron microscopy and compression mechanical test. For titania it was used the same characterization procedures, however, they were complemented with Raman spectroscopy. From the results it could be concluded that the synthesis methods employed were efficient in obtaining nanocrystallites sized from 52 to 100nm and from 27 at 62nm for hydroxyapatite and titania, respectively. On the composite formulation hydroxyapatite and titania particles were well distributed and its mechanical resistance were higher than the one obtained by the hydroxyapatite without the titania reinforcement Mestrado Materiais e Processos de Fabricação Mestre em Engenharia Mecânica

A presente dissertação de mestrado investigou a funcionalização de nanotubos de carbono (NTCs) e sua utilização como reforço em compósitos de matriz de hidroxiapatita (HAp). A HAp é um biomaterial utilizado na substituição de tecidos ósseos e apresenta elevada biocompatibilidade, porém baixa tenacidade à fratura, o que restringe sua utilização em locais de baixa solicitação por cargas. Os NTCs são folhas de grafeno enroladas na forma cilíndrica que apresentam excelentes propriedades. Estes têm sido utilizados para reforçar materiais devido seu elevado valor de resistência mecânica. A funcionalização teve como objetivo aprimorar a ligação entre os NTCs e a matriz de HAp, além de contribuir na dispersão deste material para maior homogeneização, quando adicionado por via úmida à HAp. Três funcionalizações, com diferentes ácidos (H2SO4, HNO3 e HCl) foram testadas e avaliadas através de técnicas como microscopia eletrônica, espectroscopia Raman e de infravermelho, termogravimetria e análise de dispersão em meio aquoso. A funcionalização que levou à melhor dispersão de NTCs em meio aquoso foi, então, utilizada para preparar suspensões com HAp. Seis diferentes formulações foram testadas: sem NTCs, e com 0,1, 0,5, 1,0 e 2,0% em peso de NTCs funcionalizados e 1,0% em peso de NTCs não funcionalizados. Os compósitos foram compactados e sinterizados em Ar a 1200°C, e então submetidos a ensaio de compressão. O valor de KIC foi calculado pelo método do disco brasileiro. A face fraturada dos corpos-de-prova foi investigada por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os resultados obtidos indicaram que a estrutura dos NTCs foi mantida após a funcionalização. A adsorção de grupos funcionais foi mais eficiente em duas das três formulações investigadas. Os ensaios mecânicos indicaram uma maior resistência à tração e KIC para o compósito de HAp reforçado com 1% de NTCs funcionalizados. A partir deste teor, a resistência mecânica diminui. A análise da microestrutura dos compósitos revelou, contudo, uma considerável aglomeração do material reforço quando adicionados 2% de NTCs na matriz cerâmica, o que foi associado à perda de resistência mecânica. A adição de NTCs não funcionalizados já aumenta consideravelmente a resistência mecânica do material e KIC. Os valores passaram respectivamente de 13,8 MPa e 1,48 MPa.m0,5 do compósito HAp sem NTC, para 21,5 MPa e 2,15 MPa.m0,5 no compósito HAp com 1% de NTCs sem funcionalização e para 25,1 MPa e 2,47 MPa.m0,5 no compósito com 1% NTCs funcionalizados. As análises das faces fraturadas confirmaram a presença de mecanismos de tenacificação do tipo ponte (bridging), arrancamento (pullout) e fratura do reforço. The present report evaluated the functionalization of carbon nanotubes (CNTs) and its application as reinforcement in composites of hydroxyapatite (HAp) matrices. HAp is a biomaterial used to replace bone tissues and is very biocompatible; however it presents low values of fracture toughness. This characteristic limited its usage to sites with low load solicitation. The functionalization of CNTs aims the improvement of the bonding between the matrix and the reinforcement. This method also contributes to the dispersion of CNTs when it is added to the HAp in an aqueous media, aiming the homogeneity of the solution. Three functionalizations, using different acids (H2SO4, HNO3 e HCl) were tested and evaluated using techniques like electronic microscopy, Raman and infrared spectroscopy, thermogravimetry and water dispersion analysis. Thereafter, functionalization that showed better dispersion in aqueous media was utilized to prepare specimens of Hap/NTCs. Six different formulations were analyzed: without and with 0.1, 0.5, 1.0 and 2.0% in weight of functionalized CNTs and 1% in weight of non-functionalized CNTs. The powder composite was compressed and sintered in argon at 1200°C. Specimens obtained were submitted to compressive mechanical test and their fracture toughness was calculated using the flattened Brazilian disc specimen. The fractured face of specimens was evaluated by a scanning electronic microscope (SEM). Experimental results obtained indicated the maintenance of the structure of CNTs after all oxidations tested and the adsorption of functional groups showed more efficiency in two of the three methodologies studied. Mechanical tests pointed a higher tensile resistance and fracture toughness for the composite reinforced with 1% of functionalized CNTs. Above this content, mechanical resistance values decrease. The analysis of the microstructure of composites revealed, nevertheless, a considerable agglomeration of the reinforcement when 2% of CNTs was added to the ceramic matrix. This agglomeration is associated to the decrease on mechanical resistance of the material. The addition of nonfunctionalized CNTs increases significantly the mechanical resistance and the fracture toughness of the material. Values improved from 13,8 MPa and 1,48 MPa.m0,5 to pure HAp composite to 21,5 MPa and 2,15 MPa.m0,5 to the composite of HAp with 1% of nonfunctionalized CNTs and to 25,1 MPa and 2,47 MPa.m0,5 to the composite with 1% of functionalized CNTs. Analyzing the faces of fracture of the specimens it was confirmed the presence of toughness mechanisms type bridging, pullout and fracture of the reinforcement.

O crescimento de células em arcabouços tridimensionais porosos tem se tornado progressivamente ativo na engenharia de tecidos. Os arcabouços guiam o crescimento celular, sintetizam uma matriz extracelular e outras moléculas biológicas, e facilitam a formação de tecidos e órgãos funcionais. Um cimento deste tipo pode ser preparado misturando um sal de fosfato de cálcio com uma solução aquosa para que se forme uma pasta que possa reagir à temperatura corporal dando lugar a um precipitado que contenha hidroxiapatita (Ca10(PO4)6(OH)2). A similaridade química e morfológica entre este biomaterial e a parte mineral dos tecidos ósseos permite a osteocondução, sendo o cimento substituído por tecido ósseo novo com o tempo e com a vantagem de não desencadear processos inflamatórios e de corpo estranho, com eventual expulsão do material implantado. O objetivo do presente trabalho foi a obtenção e caracterização de suportes tridimensionais para a engenharia de tecido, com o uso de matérias-primas nacionais, por meio da utilização de microesferas de parafina como corpos geradores de poros. As microesferas foram produzidas por suspensão em solução aquosa de poli (álcool vinílico) (PVA) e sulfato de sódio (Na2SO4). Foram analisadas as fases presentes no cimento sintetizado e após a reação de cura do mesmo, a variação do tamanho de partícula e da resistência mecânica com o tempo de moagem. Foi analisada a porosidade dos suportes e a forma de extração da parafina daqueles que a utilizaram na sua formação. O tamanho de poro dos suportes gerados com a variação da quantidade de fase líquida ficou aquém do tamanho considerado ideal para o crescimento de tecido ósseo. A porosidade dos arcabouços fabricados com esferas de parafina foi observada por microscopia eletrônica de varredura (MEV), e seu comportamento foi analisado a partir de ensaios in vitro em solução SBF (simulated body fluid) e em cultura de células. A utilização de esferas de parafina permitiu a formação de poros com tamanho tal que possibilitam potencialmente o crescimento tecidual e celular. The growth of cells in three-dimensional porous scaffolds has been extensively studied for use in tissue engineering. They guide grow of cells, synthesize extra cellular matrix and other biological molecules, and facilitate the formation of functional tissues and organs. Bone cements has been developed for biomedical applications for a decade approximately. This kind of cement can be prepared mixing a calcium phosphate salt with aqueous solution forming a paste that can react at body temperature generating a hydroxyapatite precipitated (Ca10(PO4)6(OH)2). The chemical and morphological similarity between the cement composition and the mineral part of the bones allows osteoconduction in the tissue with replacement of cement by new bone formed with the advantage to not unchain inflammatory processes and of strange body. The objective of this work was the use of the α-TCP cement for making these scaffolds, through the variation of the amount of liquid phase in the cement and of the use of paraffin spheres as pore source. These spheres were produced by suspension in water solution of poly (vinyl alcohol) and sodium sulphate (Na2SO4). The phases had been analyzed in the synthesized cement and after the reaction of cure of cement, beyond variation of the particle size and the resistance mechanics with the milling time. It was analyzed the porosity of the scaffolds and the extraction of the paraffin in that supports. The pore size of the supports generated with the variation of the amount of liquid phase was on this side of the size considered ideal for the bone tissue growth. The porosity of scaffolds manufactured with paraffin spheres was observed by Scanning Electron Microscopy (SEM), and its behavior was analyzed from test in vitro in SBF solution (simulated body fluid). The use of paraffin spheres allowed the formation of pores size able to permit tissue growth.

A Deposição Química de Vapor Assistida por Chama (DQVAC) foi empregada de forma pioneira na obtenção de revestimentos de hidroxiapatita sobre substratos de aço inoxidável 316L. Esta técnica apresenta um grande potencial na deposição de óxidos, principalmente pelo baixo custo de equipamentos e insumos. Para aplicação como biomaterial, é desejável que os revestimentos apresentem cristalinidade, boa aderência, e porosidade, para favorecer a osteointegração. Neste trabalho, foram empregados como solução precursora acetato de cálcio e fosfato de amônio diluídos em álcool. Foram utilizadas as razões molares de Ca/P de 1,666, equivalente à da hidroxiapatita biológica, e 1,100, no intuito de investigar sua influência na microestrutura dos revestimentos obtidos. A temperatura da chama foi mantida constante, tendo-se variado a temperatura do substrato durante as deposições entre 500 e 550ºC, com fluxo da solução precursora de 4, 8 e 12 mL/min. Os tempos de deposição foram de 5, 10 e 20 minutos. Os revestimentos obtidos apresentaram-se porosos, com boa adesão, variando sua espessura entre 66 e 757 μm, principalmente em função do tempo de deposição. O fluxo da solução precursora e temperatura contribuem de modo discreto na determinação da espessura final. Também foi possível identificar partículas que supostamente fundiram na chama e alcançam o substrato com alta plasticidade. As análises por difração de raios X indicaram que a solução precursora de razão molar Ca/P de 1,666 leva a revestimentos cristalinos, com a fase majoritária hidroxiapatita, e pequenas quantidade de fosfato tricálcico (TCP-β). Com razão molar de 1,100, constatou-se a fase pirofosfato de cálcio-α (CPP). Parâmetros de deposição como tempo, temperatura e fluxo da solução precursora não afetaram a presença da fase hidroxiapatita nos revestimentos. Por espectroscopia de infravermelho foram identificados carbonatos nos revestimentos de hidroxiapatita. Análises por microssonda EDS confirmaram que os revestimentos produzidos são formados por cálcio e fósforo, onde a razão em peso de Ca/P varia entre 2,67 até 3,76. Os resultados do ensaio em solução de plasma simulado (SBF) não foram conclusivos quanto à biocompatibilidade dos revestimentos obtidos, sendo necessários ensaios in vitro e in vivo em culturas celulares e em animais para uma maior definição de sua biocompatibilidade. Flame Assisted Chemical Vapor Deposition was employed for the first time in this work in order to obtain hydroxyapatite coatings on 316L stainless steel metallic substrates. This is a recent technique that shows enormous potential for oxides deposition, mainly due to the low cost of equipment and precursors. Aiming the application of the hydroxyapatite-stainless steel system as biomaterial, crystalline coatings with good adhesion to the substrate are desired, and porosity can favor the osseointegration In this work calcium acetate and ammonium phosphate diluted in alcohol were employed as precursor solution. Ca/P ratios of 1.666 (equivalent to biological hydroxyapatite) and 1.100 were tested, with the purpose of investigating its influence in the microstructure of produced films. Flame temperature was kept constant and substrate temperatures were varied in the range between 500 and 550ºC. Different solution precursor fluxes - 4, 8 and 12 mL/min - and deposition times - 5, 10 and 20 minutes - were also evaluated. The coatings obtained were porous, with good adhesion to substrate and thickness varying between 66 and 757μm, mainly in function of time. Precursor solution flux and temperature contribute in a discreet manner in the determination of final thickness. Also it’s possible to identify particles that probably melted in the flame and reached the substrate with high plasticity. X-ray diffraction results have indicated that a precursor solution with Ca/P ratio of 1.666 leads to crystalline coatings, with the presence of a major phase hydroxyapatite, and traces of tricalcium phosphate (β-TCP). With a ratio of 1.100, α−calcium pyrophosphate (CPP) phase was present in the coating. Parameters as deposition time, temperature and precursor solution flux don’t affect the presence of hydroxyapatite phase in the coatings. By infrared spectroscopy carbonates were identified in the hydroxyapatite coatings. Analysis with EDX confirmed that the produced coatings are formed by calcium and phosphorous, with a Ca/P weight ratio between 2.67 and 3.76. Results of essays by immersion in Simulated Body Fluid (SBF) solution did not permit conclusions about the biocompatibility of the hydroxyapatite coatings. It is necessary to carry out experiments in vitro and in vivo in cell culture and animals for a conclusive evaluation of their biocompatibility.