"Halloysite nanotubes/hydroxyapatite nanocomposites as hard tissue substitutes: effect on the morphology, thermomechanical behavior and biological development of aliphatic polyesters and polymethacrylates"

Abstract

[ES] Las patologías óseas provocan en gran medida discapacidad física, siendo la regeneración de tejidos vivos uno de los campos más avanzados en Ingeniería de Tejidos. Consecuentemente, grandes esfuerzos se focalizan en el estudio de nuevos materiales bioabsorbibles para tratar remodelaciones de fracturas óseas. Es por ello que este trabajo se centra en estudiar las propiedades mecánicas y la interacción de las células en función de la hidrofobicidad y la química de diferentes polímeros bioabsorbibles comparados con polímeros no-bsorbibles. Por otro lado, cargas como Hidroxiapatita (HA) y Nanotubos de Haloisita (HNTs) se utilizaron para mejorar la afinidad, interacción y proliferación de células. Para ello, inicialmente se monitorizó el efecto de las cargas inorgánicas en las propiedades estructurales del polímero bioabsorbible Policaprolactona (PCL). Por lo tanto, se estudiaron las variaciones de propiedades térmicas y mecánicas de PCL provocadas por la adición de HA y HNTs. Este estudio preliminar permitió entender el efecto sinérgico entre el polímero y los grupos funcionales de las cargas inorgánicas, estableciendo el umbral de carga y optimizando el ratio de aditivación. En términos generales, se observó una mejora de las propiedades mecánicas cuando las dos cargas se utilizan simultáneamente. Asimismo, aprovechando la forma tubular de los HNTs, estos fueron utilizados como portadores de fármacos estudiando su habilidad para ser cargado con curcumina y su habilidad para liberar en un ambiente fisiológico. Conociendo por una parte la habilidad del HA de promover la formación de hueso nuevo compuesto por apatita y colágeno; y, por otra parte, que la HA y los HNTs alteran el comportamiento hidrofóbico de los polímeros; se estudiaron los cambios morfológicos provocados por la adición de HA y HNTs en dos familias de polímeros con químicas similares pero diferente hidrofobicidad. Por consiguiente, el poliéster hidrofóbico PCL se mezcló con ácido poliláctico (PLA) y se combinó con nanopartículas de HA y HNTs. Por otra parte, el altamente hidrofóbico poli(2-hidroxietil metacrilato (PHEMA) se copolimerizó con etil metacrilato (EMA) y se aditivó con HA y HNTs. Por lo tanto, la dispersión de cargas inorgánicas en las matrices poliméricas fue estudiada, además de la formación de hidroxiapatita en la superficie del polímero, y el rátio de degradación del PCL/PLA. Se observó que la introducción de HA en polímeros con carácter hidrofílico induce un alto ratio de nucleación de hidroxiapatita y de degradación de los polímeros bioabsorbibles. Sin embargo, los HNTs tienden a formar grandes agregados cuando el carácter hidrofílico del polímero aumenta, dando lugar a puntos de inicio de grietas y fallo del material. La culminación de este estudio se alcanzó mediante la monitorización de la viabilidad celular, proliferación y morfología de las células como efecto de la superficie química de los polímeros. La hidrofobicidad de la superficie del polímero afecta a la interacción de las células y esta se puede mejorar mediante la modificación del polímero con HA y HNTs. De ese modo, el incremento de la viabilidad celular con la adición de las dos cargas inorgánicas es inducido por la generación de nuevos centros reactivos de Ca2+ y PO4 3¿presentes en la HA, y los grupos silano (Si-OH) situados en la superficie de los HNTs. Por lo tanto, se observó que, en superficies hidrofóbicas, debido a un alto ratio de llegada de proteínas, estas compiten por el espacio dando lugar a interacciones pobres entre células y polímero mostrando una geometría celular redondeada. Sin embargo, en superficies hidrofóbicas al hallarse altamente solvatadas, las proteínas inicialmente encuentran mayor dificultad para llegar a la superficie, y con ello disponen de mayor espacio para organizarse y anclarse a la superficie, dando lugar a una mayor adhesión y proliferación de las cél

[CA] Les patologies òssies provoquen en gran mesura discapacitat física, sent la regeneració de teixits vius un dels camps més avançats en Enginyeria de Teixits. Per consegüent, grans esforços es focalitzen en l'estudi de nous materials bioabsorbibles per a tractar remodelacions de fractures òssies. És per això que aquest treball es focalitza a estudiar les propietats mecàniques i la interacció de les cèl·lules en funció de la hidrofobicitat i la química de diferents polímers bioabsorbibles comparats amb polímers no-absorbibles. D'altra banda, càrregues com Hidroxiapatita (HI HA) i Nano-tubs d'Hal·loysita (HNTs) es van utilitzar per a millorar l'afinitat, interacció i proliferació de cèl·lules. Per aquest motiu, inicialment es va monitoritzar l'efecte de les càrregues inorgàniques amb les propietats estructurals del polímer bioabsorbible Policaprolactona (PCL). Per tant, es van estudiar les variacions de propietats tèrmiques i mecàniques de PCL provocades per l'addició de HA i HNTs. Aquest estudi preliminar va permetre entendre l'efecte sinèrgic entre el polímer i els grups funcionals de les càrregues inorgàniques, establint el llindar de càrrega i optimitzant la ràtio d'aditivación. En termes generals, es va observar una millora de les propietats mecàniques quan les dues càrregues s'utilitzen simultàniament. Així mateix, aprofitant la forma tubular dels HNTs, aquests van ser utilitzats com a portadors de fàrmacs estudiant la seva habilitat per a ser carregat amb cúrcuma i la seva habilitat per a alliberar en un ambient fisiològic. Coneixent d'una banda l'habilitat de l¿HA de promoure la formació d'os nou compost per apatita i col·lagen; i, d'altra banda, que l¿HA i els HNTs alteren el comportament hidrofòbic dels polímers; es van estudiar els canvis morfològics provocats per l'addició de HA i HNTs en dues famílies de polímers amb químiques semblants però diferent hidrofobicitat. Per consegüent, el polièster hidrofòbic PCL es va mesclar amb àcid poliláctic (PLA) i es va combinar amb nanopartícules de HA i HNTs. D'altra banda, l'altament hidrofòbic poli (2-hidroxietil metacrilat (PHEMA) és va copolimeritzar amb etil metacrilat (EMA) i s'additivà amb HA i HNTs. Per tant, la dispersió de càrregues inorgàniques en les matrius polimèrica va ser estudiada, a més de la formació d¿hidroxiapatita en la superfície del polímer, i la ràtio de degradació del PCL/PLA. Es va observar que la introducció de HA en polímers amb caràcter hidrofílic indueix un alt ràtio de nucleació de hidroxiapatita i de degradació dels polímers bioabsorbibles. No obstant això, els HNTs tendeixen a formar grans agregats quan el caràcter hidrofílic del polímer augmenta, donant lloc a punts d'inici de clavills i fallada del material. La culminació d'aquest estudi es va aconseguir per mitjà del monitoratge de la viabilitat cel·lular, proliferació i morfologia de les cèl·lules com a efecte de la superfície química dels polímers. La hidrofobicitat de la superfície del polímer afecta la interacció de les cèl·lules i aquesta es pot millorar per mitjà de la modificació del polímer amb HA i HNTs. D'aquesta manera, l'increment de la viabilitat cel·lular amb l'addició de les dues càrregues inorgàniques és induït per la generació de nous centres reactius de Ca2+ i PO4 3¿ presentes en l'HA, i els grups silanol (Si-OH) situats en la superfície dels HNTs. Per tant, es va observar que en superfícies hidrofòbiques, a causa d'un alt ràtio d'arribada de proteïnes, aquestes competeixen per l'espai donant lloc a interaccions pobres entre cèl·lules i polímer mostrant una geometria cel·lular arredonida. No obstant això, en superfícies hidrofòbiques al trobar-se altament solvatades, les proteïnes inicialment troben més dificultat per a arribar a la superfície, i amb això disposen de major espai per a organitzar-se i ancorar-se a la superfície, donant lloc a una ma

[EN] Bone pathology entails an important average of physical disability, being bone tissue regeneration one of the most actively researched fields in Tissue Engineering. Accordingly, large efforts are focused on the research of novel bioabsorbable materials as a prosthesis with stiffness values similar to that of the host tissue capable of fulfilling the requirements for bone fracture remodelling. This work is focused on studying mechanical properties and cell interaction as a function of the chemical structure and hydrophobicity of different bioabsorbable polymers compared with non-absorbable polymers. Hydroxyapatite (HA) and Halloysite nanotube (HNTs) were used as fillers in order to grant better cell attachment, proliferation and differentiation along with hydrophobicity behaviour. For this end, it was aimed to firstly monitor the effects of bioactive fillers on the structural properties of bioabsorbable Polycaprolactone (PCL). Thus, mechanical and thermal properties of PCL were studied by modifying the additivation percentage of the bioactive fillers HA and HNTs. This preliminary study allowed to understand the synergic effect among the polymeric matrix and the functional groups present on the additives chemical structure by establishing the additivation threshold and optimizing the additivation rate. In general terms, a noticeable improvement of mechanical properties was achieved with the simultaneous addition of the two fillers. Additionally, taking advantages of the HNTs nano-tubular shape, those were studied as drug carrier structures and their loading and release ability with curcumin was monitored. Knowing in one side that HA promotes the formation of a layer of new bone composed of biological apatite and collagen; and in the other side, that HA and HNTs alter hydrophobicity behaviour; morphological properties supplied by both fillers were studied and compared among different pairs of polymers with similar chemical natures but different hydrophobicity. Accordingly, the hydrophobic polyester PCL was modified by its blending with Polylactic acid (PLA) and combined with HA nanoparticles and HNTs. On the other hand, the hydrophilic poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA) was copolymerized with ethyl methacrylate (EMA) and also combined with HA and HNTs. Thus, the effect of both fillers was studied on Hydroxyapatite nucleation, distribution of the fillers into the polymeric matrices and PCL/PLA degradation rate. Therefore, it was observed that introduction of HA in polymers with moderately hydrophilic character induce a higher rate of hydroxyapatite nucleation and a faster degradation rate. However, HNTs tends to form big aggregates when the hydrophilic character increases, driving to crack initiation sites and failure of the material. The completion of this study was accomplished by means of monitoring cell viability, proliferation, and morphology on the two pairs of polymers varying the polymer's chemical surface by blending hydrophilic and hydrophobic polymers, copolymerizing monomers of opposite natures, and/or loading the polymer matrix with nanoparticles such as HA or HNTs. Polymer surface wettability is known to affect cell attachment and can be enhanced by modifying the polymer with HA and HNT. In this way, improvement in cell viability with the addition of HA and HNTs was observed due to the generation of new reactive sites with Ca2+ and PO4 3¿ groups present in HA, and silanol groups (Si-OH) located at the surfaces of HNTs. Thus, it was concluded that on hydrophobic materials, due to a faster arrival rate of proteins, those compete for surface absorption driving to low interaction sites between cells and polymer surface showing a round shape. However, on hydrophilic materials, the highly solvated surface at initial stage limits protein arrival and allowed protein rearrangement and spreading over the surface promoting cell adhesion and proliferation with better cytoskeleton spreading.