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Type: TESE
Title: Biovidros derivados do 45S5 : os efeitos do Nb2O5 ou da modificação da superfície com Ca2+ sobre a estrutura e bioatividade
Title Alternative: Bioglasses derived from 45S5 : effects of Nb2O5 or surface modification with Ca2+ on the glass structure and bioactivity
Author: Lopes, João Henrique, 1982-
Advisor: Bertran, Celso Aparecido, 1951-
Abstract: Resumo: Esta tese está dividida em quatro capítulos. O capítulo I apresenta os fundamentos sobre biomateriais e biovidros. O capítulo II é dedicado a investigar os efeitos da adição de óxido de nióbio (Nb2O5) sobre as propriedades físicas, a estrutura do vidro e a bioatividade de duas séries vítreas derivadas do 45S5 Bioglass® (BG45S5). A composição química do BG45S5 foi modificada pela substituição de 1,3 e 2,6% de P2O5 por Nb2O5 e 1, 2 e 5% do SiO2 pelo Nb2O5, gerando as séries (I) e (II), respectivamente (BGNs). A introdução do Nb2O5 aumenta significativamente a densidade e a estabilidade contra a desvitrificação, como evidenciado pelo parâmetro ?Txg = (Tx - Tg). Os espectros de ressonância magnética nuclear no estado sólido MAS NMR para os núcleos 29Si, 31P e 23Na, espectroscopia Raman e a determinação de algumas propriedades físicas permitiu um entendimento detalhado da estrutura dos vidros BGNs. Para os vidros da série I, o octaedro de NbO6 entra na rede silicato, partilhando os seus vértices com os tetraedros de silício para formar cadeias O-Si-O-Nb-O-Si-O, enquanto que para os vidros da série II, os octaedros NbO6 atuam como agente de reticulação para as cadeias de silicatos. A viabilidade celular e a atividade metabólica foram determinadas utilizando o ensaio de MTT. Os resultados dos estudos in vitro com os vidros BGNs sobre a viabilidade dos osteoblastos e proliferação não mostram diferenças significativas entre BGNs e BG45S5. Os resultados da experimentação in vivo em ratos Wistar sugerem que a presença de Nb2O5 pode efetivamente promover um aumento na bioatividade de BGNs, observado pelo aumento da quantidade formada de osso cortical e trabecular. O capítulo III abrange a investigação da modificação da superfície do biovidro BG45S5 pelo enriquecimento com cálcio, por imersão em banho de sal fundido contendo cálcio (BG45Cas) e o seu efeito sobre a estrutura da superfície, a velocidade de dissolução e também a cinética da formação do fosfato de cálcio. A combinação da microscopia de força atômica e espectroscopia Raman (AFM) permitiu o acompanhamento das mudanças estruturais do BG45S5 submetido a diversos tempos de imersão no banho de sal fundido a 480 °C, enquanto que a fluorescência de raios X (XRF) foi empregada para monitorar a evolução temporal do processo de troca iônica entre Ca2+ e Na+. Os rearranjos estruturais, como resultado da troca iônica, foram sistematicamente investigados no BG45Ca30 pelas espectroscopias FTIR e 29Si e 31P MAS NMR. Os resultados mostram que a quantidade de íons cálcio que entram na estrutura do vidro é maior do que a quantidade de íons sódio que deixa a rede, de modo que, para preservar a eletroneutralidade na rede, ocorrem alterações locais na estrutura que conduzem a uma depolimerização da rede de silicato. A formação da fase de fosfato de cálcio quimicamente equivalente à hidroxiapatita (HA) na superfície do biovidro foi estudada por imersão dos biovidros em HEPES 50,69 mmol L-1 e fluido corpóreo simulado (SBF) durante 2 dias. A camada de apatita formada foi caracterizada pela espectroscopia 31P MAS NMR. A cinética de crescimento da camada de apatita sobre a superfície do BG45Ca30 sugere que a modificação da superfície do vidro não só promove uma redução no tempo para a formação de HA, mas também a formação de hidroxiapatita com maior grau de cristalinidade. Finalmente, o capítulo IV descreve as nossas contribuições, observações finais e sugestões para futuros trabalhos

Abstract: This thesis is divided into four chapters. Chapter I presents background information on the biomaterial and bioglasses. Chapter II is devoted to investigate the effects of adding niobium oxide (Nb2O5) on the physical properties, glass structure and bioactivity of two glasses series derived from the 45S5 Bioglass® (BG45S5). The chemical composition of BG45S5 was modified by replacing 1.3 and 2.6% of P2O5 with Nb2O5 and 1, 2.5, and 5% of SiO2 with Nb2O5, generating series (I) and (II), respectively (BGNs). Adding Nb2O5 significantly increases the density and the stability against devitrification as indicated by ?Txg = (Tx - Tg). The multinuclear 29Si, 31P, and 23Na solid-state MAS NMR spectra of the glasses, Raman spectroscopy, and the determination of some physical properties have generated insight into the structure of the glasses. For the series I glasses, the octahedral niobium take part in glasses network, sharing its corners with silicon tetrahedra forming O-Si-O-Nb-O-Si-O chains, whereas for the series II, NbO6 octahedra act as crosslinker for the silicates chains. Cell viability and metabolic activity were determined using the MTT assay. We investigated the in vitro effect of BGNs glasses on osteoblast viability and proliferation. No significant differences were found between BGNs and BG45S5. Furthermore, in vivo tests in Wistar rats have suggested that the presence of Nb2O5 might actually promote an increase in bioactivity of BGNs, increasing formation of cortical and cancellous bones. The chapter III covers research related to of the surface modification of BG45S5 bioglass (BG45Cas) and its effect on the surface structure, dissolution rate and calcium phosphate formation. BG45Cas were obtained by ion exchange method by immersion in molten salt bath containing calcium. The combination of Raman spectroscopy and atomic force microscopy (AFM) allowed the monitoring of the structural changes of BG45S5 bioglass submitted to increasing durations of immersion in the molten salt bath at 480 °C, whereas X-ray Fluorescence (XRF) was employed to derive the time evolution of Ca2+-Na+ ion exchange process. Structural rearrangements as a result of Ca2+-Na+ ion exchange have been investigated systematically on 45S5 bioglasses by FTIR and 29Si and 31P MAS NMR spectroscopies. Results show that the insertion of calcium ions in the glass structure is higher than the departure of sodium ions. The electroneutrality of the glass structure is preserved with local alterations, which lead to a higher degree of depolymerization of the silicate network. The formation of calcium phosphate layer chemically equivalent to hydroxyapatite (HA) on the bioglass surface was evaluated by immersing the bioglasses in the HEPES 50,69 mmol L-1 and simulated body fluid (SBF) for up to 2 days. This apatite layer was characterized by 31P MAS NMR spectroscopy. The growth kinetics of the apatite layer on the surface of the bioglasses demonstrated that modification of the glass surface (BG45Ca30) cause not only a reduction in time of the formation of HA, but also induced hydroxyapatite phase formation with a higher degree of crystallinity. Finally, chapter IV describes our contributions, final remarks and suggests some ideas for future works
Subject: Biovidros contendo Nb2O5
Bioatividade
Modificação de superficie vitrea
Troca iônica
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2015
Appears in Collections:IQ - Tese e Dissertação

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