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Title in Portuguese: Caracterização físico-química e biológica de biomateriais e compósitos híbridos, desenhados a partir de escama de tilápia do nilo (Oreochromis Niloticus), com potencial aplicação na engenharia de reparação de tecidos ósseos
Title: Physico-chemical and biological characterization of biomaterials and hybrid composites, designed from the scale of Nile tilapia (Oreochromis Niloticus), with potential application in bone tissue repair engineering.
Author: Sierra, José Jovanny Bermúdez
Co-advisor(s): Gallão, Maria Izabel
Keywords: Biomateriais
Hidroxiapatita
Colágeno
Xenoenxertos
Testes de Biocompatibilidade
Issue Date: 2020
Citation: SIERRA, José Jovanny Bermúdez, Caracterização físico-química e biológica de biomateriais e compósitos híbridos, desenhados a partir de escama de tilápia do nilo (Oreochromis Niloticus), com potencial aplicação na engenharia de reparação de tecidos ósseos. 2020. 158 f. Tese (Doutorado em Biotecnologia) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2020.
Abstract in Portuguese: Esta pesquisa propõe a utilização de novos biomateriais, com aplicações biomédicas, especialmente na área da engenheira de tecidos ósseos (reparo ou preenchimento). Nesta pesquisa, foram descritas diversas técnicas simples de extração de Hidroxiapatita (HapP) e Colágeno (Col), a partir da escama de Tilápia do Nilo (Oreochromis Niloticus), por meio da hidrólise química (ácida e básica) e precipitação salina respectivamente. Os biomateriais extraídos e purificados foram caracterizados, segundo suas propriedades físico-químicas, por técnicas de Infravermelho (FT-IR), Termogravimetria (TGA), Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC), Microscopia Eletrônica de Varredura Acoplada com Espectrometria de Energia Dispersiva de Raios- X (MEV-EDX), Espectrometria de Raios X (DRX), Espectrometria Raman (ER), Ressonância magnética Nuclear (RMN) e Eletroforeses (SDS-PAGE). Posteriormente, foram desenhados biocompósitos poliméricos xeno-hibridos de HapP/Col, baseado no modelo de Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) associado à Metodologia de Superfície Resposta (MSR), com caracterização dos parâmetros físicos (porosidade, intumescimento, PVA e MEV). Além disso, foram desenvolvidos dois tipos de análises de biocompatibilidade: 1) viabilidade celular “in vitro” dos biocompósitos HapP/Col em cultura de osteoblastos “OFCOL II” durante os períodos de 1, 3 e 7 dias, e 2) “in vivo” por inserção subcutânea em ratos Wistar dos biomateriais extraídos das escamas (HapP e Col). Nessa última, uma amostra de HapS sintética e dois tipos de compósito, HapP/Col e HapS/Col, foram desenhados e implantados no tecido conjuntivo e extraídos em três períodos (7, 15 e 30 dias), em cada data, as respostas teciduais foram aferidas, histomorfologicamente, por grau de inflamação, proliferação de fibroblastos e área de neovascularização em tecidos corados com Hematoxilina e Eosina (H&E). Os resultados obtidos a partir das análises de caracterização, demonstram que há similaridade físico-química com diversas pesquisas relacionadas com biomateriais extraídos de fontes biológicas: a HapP apresentou característica de cerâmicas com estruturas nanométricas e porosas de tipo amorfo e o Col exibiu características de tipo I, com estrutura helicoidal de boa estabilidade térmica. Os resultados nas análises“in vitro” demonstram que os biocompósitos de melhor desempenho na bioatividade celular foram na faixa de concentração entre 60-75% de HapP e 25-40% de Col. Enquanto os resultados “in vivo”, em razão da semelhança de resposta inflamatória com o grupo controle, demonstram que os biomateriais (HapP e Col) e o biocompósito mostraram uma acelerada recuperação tecidual, sendo biocompatíveis em maior grau em comparação com os grupos da HapS sintética (HapS/Col e HapS), destacando, assim uma necessidade de futuras pesquisas para explorar a ligação entre as atividades biológicas dos biomateriais sobre a neoformação óssea "in vivo”. Verifica-se que estes tipos de biomateriais e/ou biocompósitos derivados da escama de Tilápia são possivelmente adequados para serem utilizados em processos de Regeneração Óssea Guiada com função osteogenica, especificamente em formas xeno-hibridas de enxertos ósseos granulados ou em biocompósito polimerico.
Abstract: This work proposes the use of novel biomaterials, with potential biomedical applications, especially in the area of bone tissue engineering (repair or filling). In this research, several simple technique of Hydroxyapatite (HapP) and Collagen (Col) extraction, from the Nile Tilapia scale (Oreochromis Niloticus), using chemical hydrolysis (acid and basic) and saline precipitation respectively. The extracted and purified biomaterials, according to the physical-chemical properties were characterized by infrared (FT-IR), Thermogravimetry (TGA/DTG), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Scanning Electronic Microscopy, (SEM-EDX) with Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy, X-Ray Spectrometry (XRD), Raman Spectrometry (RS), Nuclear Magnetic Resonance (NMR) and Electrophoresis (SDS-PAGE). Posteriorly, xeno-hybrid polymer biocomposites of HapP/Col were designed, based on Central Composite Rotational Delineation (CCRD) associated to the Response Surface Methodology (RSM), with characterization of physical parameters (porosity, swelling, PVA and SEM). furthermore, two types of biocompatibility analysis have been developed: 1) “in vitro” cell viability of “OFCOL II” osteoblasts-like co-culture on HapP/Col biocomposites during periods of 1, 3 and 7 days, and 2) "in vivo" by subcutaneous insertion in Wistar rats of extracted biomaterials from scales (HapP and Col). In the latter, a sample of synthetic HapS and two types of the HapP/Col and HapS/Col composites, were designed and implanted in the connective tissue, which were then extracted in three periods (7, 15 and 30 days), At each date, tissue responses were assessed histomorphometrycally by degree of inflammation, proliferation of fibroblast and area of neovascularization in tissues stained with Hematoxylin and Eosin (H&E). The results obtained from the characterization analyses, demonstrate that there is a physical-chemical similarity with several researches related to biomaterials extracted from biological sources: HapP presented characteristics of ceramics with nanometric and porous structures of amorphous type and exhibited characteristics of type I Collagen with helicoidal structure of good thermal stability. The "in vitro" results showed that the best performing biocomposites in cellular bioactivity were in the concentration range between 60-75% HapP and 25-40% Col. whereas the "in vivo" results, due to the similarity of inflammatory response with the control group, demostrate that biomaterials (HapP and Col) and biocomposite presented an accelerated tissue recovery, being biocompatible to a greater extent compared to group of synthetic HapS (HapS/Col and HapS), thus, highlighting a need for future research to explore the link between biological ativities of biomaterials on "in vivo" bone neoformation. These types of biomaterials and/or biocomposites derived from the Nile Tilapia scale are likely to be suitable for use in Guided Bone Regeneration procedures with osteogenic function, specifically in xeno-hybrid forms of granulated bone grafts or polymeric biocomposites.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/54872
metadata.dc.type: Tese
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