Avaliação de biocompósitos à base de colágeno I, agregado trióxido de mineral e nanotubos de carbono de paredes múltiplas na regeneração óssea
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tese de doutorado
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Resumo
Atualmente, um dos maiores desafios da medicina regenerativa é o desenvolvimento de biomateriais para a regeneração do tecido ósseo. Nesta tese, caracterizamos scaffolds tridimensionais compostos por colágeno I, agregado trióxido de mineral (MTA) e/ou nanotubos de carbono de paredes múltiplas (NTCPM) para uso na regeneração do tecido ósseo. O colágeno provê um scaffold fisiologicamente relevante, o que permite a adesão e a ocorrência de migração de osteoblastos. O MTA tem uma composição química similar à de componentes minerais do osso e é usado como um cimento em aplicações endodônticas, onde apresenta atividades osteoindutoras, sugerindo que, em uma forma dispersa, pode prover sítios de nucleação óssea por todo o biocompósito. NTCPMs foram incluídos uma vez que foi observada sua capacidade de aumentar a estabilidade mecânica de géis de colágeno. Os objetivos desta tese foram determinar as concentrações ótimas de colágeno, MTA e NTCPM necessárias para a viabilidade, migração e diferenciação de osteoblastos in vitro e testar os biocompósitos quanto ao seu potencial osteoindutor in vivo. Pré-osteoblastos (MC3T3-E1) foram cultivados sobre ou dentro de scaffolds contendo diferentes concentrações de colágeno, MTA e NTCPM e suas respostas celulares foram determinadas em diferentes períodos. A viabilidade celular observada foi superior a 95% para todas as variações do biocompósito testadas in vitro. A migração celular no interior dos biocompósitos também ocorreu eficientemente, exceto na presença de NTCPM. Algumas concentrações de MTA ou NTCPM, ou ainda combinações de ambos, causaram um aumento na mineralização dos biocompósitos. Para os estudos in vivo um defeito de 1,6 mm foi realizado no osso tibial de ratos e preenchido com o biocompósito. Após sete dias, amostras foram coletadas e analisadas através de microtomografia computadorizada e análise histomorfométrica. Os resultados obtidos indicaram um aumento significativo na mineralização e maturação expressiva de osso trabecular neoformado na presença do scaffold de colágeno I puro, mas apenas pequenos aumentos com a adição de MTA e/ou NTCPM em comparação aos controles. Assim, esses novos biocompósitos à base de colágeno I, MTA e NTCPM mostraram potencial como scaffolds fisiologicamente relevantes para uso na regeneração do tecido ósseo
Abstract
One of the main challenges of regenerative medicine is the development of biomaterials for
bone tissue regeneration. In this thesis, we characterize 3D biocomposite scaffolds composed of type
I collagen plus mineral trioxide aggregate (MTA) and/or multiwall carbon nanotubes (MWCNT) for
use in bone tissue regeneration. Collagen provides a physiologically relevant scaffold, which allows
osteoblast adhesion and migration to occur. MTA has a chemical composition similar to the mineral
components of bone and is used as a material in endodontical applications, where it displays
osteoinductive activities, suggesting that in a dispersed form it may provide bone nucleation sites
throughout the scaffold. MWCNT were included since they have been shown to increase the
mechanical stability of collagen gels. The objectives of this thesis were to determine the optimal
concentrations of collagen, MTA and MWCNT necessary for osteoblast viability, migration, and
differentiation in vitro and then test the biocomposites for osteoinductive potential in vivo. Preosteoblasts (MC3T3-E1) were cultured on or in biocomposite scaffolds containing different
concentrations of collagen, MTA and MWCNT and then the cellular responses were determined at
various time points. Viability was > 95% for all variations of the biocomposite tested in vitro.
Migration into scaffolds also occurred efficiently, except in the presence of high concentrations of
MWCNT. Specific concentrations of either MTA or MWCNT, or combinations of MTA +
MWCNT, caused an increase in mineralization of scaffolds. For in vivo studies, a 1.6 mm diameter
defect was made in the tibial bone of rats and filled with biocomposite. After seven days, samples
were collected and analyzed using computerized micro-tomography and histological-morphometric
analysis. The results obtained thus far indicate a significant increase in mineralization and advanced
maturation of newly-formed trabecular bone in the presence of collagen scaffold alone, but only
slight increases when MTA and/or MWCNT are present as compared to controls. Thus, these novel
type I collagen / MTA / MWCNT biocomposites show potential as physiologically relevant scaffolds
for use in bone tissue regeneration.
Assunto
Biologia celular, Regeneração Óssea, Colágeno Tipo I, Osteoblastos
Palavras-chave
Biologia Celular
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