Obtenção de cimento de α-fosfato tricálcico injetável reforçado com fibroína de seda : um cimento de alta resistência para regeneração óssea

Abstract

Cimentos de fosfato de cálcio (CPCs) injetáveis à base de fosfato de α-tricálcico (α-TCP) atraem considerável interesse devido ao seu potencial de aplicação em procedimentos minimamente invasivos para preenchimento e regeneração óssea. No entanto, as propriedades mecânicas destes materiais injetáveis são geralmente inadequadas para diversas aplicações ortopédicas, uma vez que é necessária uma maior incorporação de fase líquida para obter a injetabilidade das pastas cimentícias, o que reduz sua resistência mecânica. A resolução deste empecilho tem sido o foco de um número limitado de estudos, os quais dificilmente alcançam, com sucesso, propriedades mecânicas adequadas para aplicações clínicas. Este trabalho visa a formulação de um sistema de cimento α-TCP armazenável e injetável reforçado com diferentes concentrações de fibroína de seda (SF). Todas as pastas de cimento formuladas exibiram estabilidade de armazenamento por, pelo menos, 22 semanas e, após ativação, permitiram a formação de um material bifásico constituído por hidroxiapatita deficiente em cálcio (CDHA) e hidroxiapatita substituída por cloro (HAp-Cl). As amostras reforçadas demonstraram um aumento de 335% na resistência à compressão em comparação com a amostra de controle, indicando uma interação favorável entre a SF e os fosfatos de cálcio presentes no material. Outrossim, a análise microestrutural das amostras revelou que todos os cimentos com incorporações de SF exibiram microestrutura mais análogas à do osso nativo, caracterizada por cristais nanométricos de formato agulhado. Além disso, a inclusão desta fase polimérica contribuiu para uma redução na dissolução do material durante a imersão em solução tampão de fosfato (PBS) e um aumento na deposição de apatita na superfície do CPC quando exposto à fluido corporal simulado (SBF). Ademais, a composição estabelecida não teve impacto adverso na viabilidade celular, mantendo a biocompatibilidade adequada. Assim, cimentos de fosfato de cálcio pré-misturados biomiméticos e biocompatíveis reforçados através da adição de SF foram obtidos com sucesso, apresentando potencial para ser avaliado mais profundamente como um material injetável para a regeneração óssea.

Injectable α-tricalcium phosphate (α-TCP)-based calcium phosphate cements (CPCs) draw considerable interest owing to their prospective application in minimally invasive procedures for bone filling and regeneration. Nevertheless, the mechanical properties of these injectable materials are often inadequate for numerous orthopaedic applications, as a higher incorporation of liquid is needed to obtain adequate injectability, reducing its mechanical strength. Addressing this substantial challenge in injectable systems has been the focus of only a limited number of studies, and an even smaller fraction has successfully achieved mechanical properties suitable for practical applications. Therefore, this investigation aims the formulation of a storable and injectable α-TCP cement system reinforced with varying concentrations of silk fibroin (SF). All formulated cement pastes exhibited storage stability for, at least, 22 weeks, and upon activation, allowed the formation of a biphasic calcium deficient hydroxyapatite and chloride-substituted hydroxyapatite material. The reinforced specimens demonstrated a 335% enhancement in compressive strength compared to the control sample, which indicates a favourable interaction between the SF and the present calcium phosphates. Moreover, microstructural analysis revealed that all SF-incorporated samples exhibited a microstructure more similar to the structure of native bone, characterized by nanosized needle-like crystals. Additionally, the inclusion of this polymeric phase contributed to a reduction in material dissolution during immersion in phosphate-buffered saline (PBS) solution and an increase in the deposition of bone-like apatite on the CPC’s surface when exposed to simulated body fluid (SBF). Notably, the established composition did not adversely impact cell viability, maintaining suitable biocompatibility. In summary, injectable, biomimetic, and biocompatible premixed CPCs with mechanical reinforcement through silk fibroin addition were successfully developed, demonstrating potential for further evaluations as a promising material for bone regeneration.