Inorganic Materials for Bone Repair or Replacement Applications

Abstract

In recent years, excipient systems have been used increasingly in biomedicine in reconstructive and replacement surgery, as bone cements, drug-delivery vehicles and contrast agents. Particularly, interest has been growing in the development and application of controlled pore inorganic ceramic materials for use in bone-replacement and bone-repair roles and, in this context, attention has been focused on calcium-phosphate, bioactive glasses and SiO2- and TiO2-based materials. It has been shown that inorganic materials that most closely mimic bone structure and surface chemistry most closely function best in bone replacement/repair and, in particular, if a substance possesses a macroporous structure (pores and interconnections >100 microm diameter), then cell infiltration, bone growth and vascularization can all be promoted. The surface roughness and micro/mesoporosity of a material have also been observed to significantly influence its ability to promote apatite nucleation and cell attachment significantly. Pores (where present) can also be packed with pharmaceuticals and biomolecules (e.g., bone morphogenetic proteins [BMPs], which can stimulate bone formation). Finally, the most bio-efficient - in terms of collagen formation and apatite nucleation - materials are those that are able to provide soluble mineralizing species (Si, Ca, PO(4)) at their implant sites and/or are doped or have been surface-activated with specific functional groups. This article presents the context and latest advances in the field of bone-repair materials, especially with respect to the development of bioactive glasses and micro/mesoporous and macroporous inorganic scaffolds. It deals with the possible methods of preparing porous pure/doped or functionalized silicas or their composites, the studies that have been undertaken to evaluate their abilities to act as bone repair scaffolds and also presents future directions for work in that context.

Biocompatibility and osteogenesis of the castor bean polymer doped with silica (SiO2) or barium titanate (BaTiO3) nanoparticles

“…In this sense, porous materials that work as support for bone growth, working as an outline that ensures the cellular infiltration to the implant's interior, have become noticed and are highly applied in experimental studies 4 .…”

Biosilicato®: histórico de uma vitrocerâmica brasileira de elevada bioatividade

“…9,12,13,17,19,20 Convém ainda citar alguns metais e ligas, desde que sob condições especiais de tratamento superficial. 11,21 Por suas características intrínsecas e natureza distinta, é de se esperar que os materiais bioativos apresentem índices de bioatividade variados, ou seja, diferentes tempos para o estabelecimento de ligação com o tecido.…”

“…Em 1991, a concentração iônica da solução foi corrigida, como mostra a Tabela 1, e, a partir de então, tem sido muito empregada para se avaliar a bioatividade de inúmeros materiais. 9,[11][12][13][19][20][21]33 Deve-se notar, no entanto, que a solução SBF corrigida exibe maior concentração de íons cloreto e menor concentração de íons bicarbonato que o plasma sanguíneo, Tabela 1. Em 2001, Kim et al 34 propuseram uma solução SBF revisada, na qual ambas as concentrações de cloreto e íons bicarbonato foram equiparadas às contidas no plasma sanguíneo humano.…”

“…9,10 No intuito de se atender aos requisitos exigidos de materiais dedicados a aplicações cada vez mais específicas, no século XX inúmeras biocerâmicas de "alta tecnologia" tornaram-se disponíveis para fins biomédicos. 1,[5][6][7][8][9][10][11][12][13] Em 1920, Albee e Morrison relataram as primeiras aplicações de cerâmicas pertencentes à família dos fosfatos de cálcio para reparação óssea, imaginando, na ocasião, se tratar de um composto formado unicamente por fosfato tricálcio (TCP, Ca 3 (PO 4 ) 2 ). 14 Possivelmente, a primeira aplicação dentária desses materiais foi relatada por Nery et al 15 50 anos mais tarde, que fizeram uso de um material poroso obtido pela sinterização do até então descrito TCP, que posteriormente demonstrou ser, na verdade, uma mistura constituída por hidroxiapatita (HA, (Ca) 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) e β-TCP.…”

“…18 Dada a importância desses materiais, seu desenvolvimento reflete até hoje algumas tendências observadas nesse segmento, que tem tido como foco a promoção da regeneração tecidual em vez de sua simples substituição. 1,[3][4][5][6][7][9][10][11][12][13]17,18 É importante deixar claro que o uso das biocerâmicas não se restringe aos procedimentos biomédicos destinados à reparação do tecido ósseo. Elas podem também ser usadas para reparar ou mesmo substituir partes do sistema cardiovascular, especialmente válvulas cardíacas, bem como serem utilizadas, de forma terapêutica, no tratamento de tumores.…”