Fibra de carbono ativada: avaliação das interações biológicas in vitro / Activated carbon fiber: evaluation of biological interactions in vitro

Devido a constante necessidade de desenvolver materiais biocompatíveis com propriedades osteocondutores e osteoindutoras, a presente tese conta com o desenvolvimento de dois estudos in vitro com fibra de carbono obtida a partir de fibra PAN têxtil, incorporada com diferentes íons de metais, na osteogênese com vistas à compreensão das necessidades da engenharia tecidual no desenvolvimento desse biomaterial com adequadas propriedades biológicas. As células foram obtidas dos fêmures de 09 ratos machos adultos (Wistar) pesando 300g, com 90 dias.Estudo 1: A partir da preparação da fibras foram obtidos corpos de prova de 4 mm de diâmetro e 2 mm de altura, dos seguintes grupos: fibra de carbono não ativada (FCNA), fibra carbono ativada (FCA) e fibra carbono ativada com prata (FCAAg). Após plaqueamento (n=5) em meio suplementado (MTS) e meio suplementado osteogênico (MTSO) foram analisados: viabilidade celular, conteúdo de proteína total (PT), atividade de fosfatase alcalina (ALP), interaçãocelular e formação de nódulos de mineralização. Foi avaliada a formação de biofilme nos corpos de prova, utilizando cepas de S. aureus, P. aeruginosa e E. coli. Na viabilidade celular, houve diferença estatística entre grupo controle celular (C) e FCA-MTS, FCAAg-MTS e FCAAg-MTSO. Em PT, não houvediferença, na ALP houve diferença entre C-MTS e as fibras, C-MTSO se mostrou semelhante. Em nódulos, houve diferença entre C-MTS e C-MTSO e as fibras do MTSO. Houve redução de formação de biofilme do S. aureus na FCAAg.Estudo 2: Foram obtidos corpos de prova da mesma dimensão do estudo 1 (n=5) dos seguintes grupos: fibra carbono ativada com prata (FCAAg), fibra carbono ativada com ouro (FCAAu), fibra carbono ativada com cobre (FCACu), fibra carbono ativada com paládio (FCAPd) e fibra carbono ativada com platina (FCAPt). Foram quantificadas a proliferação celular, viabilidade celular, formação de nódulos de mineralização, conteúdo de PT e ALP. Todas as amostras mostraram-se semelhantes quanto a proliferação celular, com exceção do grupo FCAAg comparado ao grupo controle (C). Sobre viabilidade celular, C obteve maior viabilidade que os outros grupos, e FCA obteve maior taxa que os grupos FCAAg, FCACu, FCAPt, sendo semelhante aos grupos FCAAu e FCAPd. Já os grupos FCAAu e FCAPd apresentaram diferença aos grupos FCAAg e FCACu. Na análise de expressão de PT apenas houve diferença entre FCA e FCAAu, sendo FCAAu com menor expressão de produção de PT. Na avaliação da ALP os grupos FCAAg e FACu mostraram diferença estatística e inferior com os grupos C, FCAAu, FCAPd e FCAPt, além disso, o grupo FCA mostrou menor taxa que C.Conclusões: As fibras utilizadas de base para a incorporação dos íons demonstraram grande potencial para uso como scaffold para reparação óssea, isso porque em ambos os estudos, na forma ativada e não ativada, as fibras apresentaram viabilidade celular e quantificação de cálcio satisfatórias. Sendo a versão não ativada mais econômica no que diz respeito ao tempo e custo de preparação. Mais estudos devem ser empregados a fim de assegurar sua segurança clínica em relação à citotoxicidade da incorporação de íons de ouro e paládio.(AU)

Due to the constant need to develop biocompatible materials with osteoconductive and osteoinductive properties, this thesis involves the development of two in vitro studies with carbon fiber obtained from textile PAN fiber, incorporated with different metal ions, in osteogenesis with a view to understanding the needs of tissue engineering in the development of this biomaterial with adequate biological properties. The cells were obtained from the femurs of 9 adult male rats (Wistar) weighing 300g, aged 90 days. Study 1: From the fiber preparation, specimens measuring 4 mm in diameter and 2 mm in height were obtained from the following groups: non-activated carbon fiber (FCNA), activated carbon fiber (FCA) and silver-activated carbon fiber (FCAAg). After plating (n=5) in supplemented medium (MTS) and supplemented osteogenic medium (MTSO), cell viability, total protein content (PT), alkaline phosphatase (ALP) activity, cell interaction and formation of mineralization nodules were analyzed. . Biofilm formation was evaluated in the specimens, using strains of S. aureus, P. aeruginosa and E. coli. In cell viability, there was a statistical difference between the cell control group (C) and FCAMTS, FCAAg-MTS and FCAAg-MTSO. In PT, there was no difference, in ALP there was a difference between C-MTS and fibers, C-MTSO was similar. In nodules, there was a difference between C-MTS and C-MTSO and MTSO fibers. There was a reduction in S. aureus biofilm formation on FCAAg. Study 2: Specimens of the same size as in study 1 (n=5) were obtained from the following groups: carbon fiber activated with silver (FCAAg), carbon fiber activated with gold (FCAAu), carbon fiber activated with copper (FCACu), palladium-activated carbon fiber (FCAPd) and platinum-activated carbon fiber (FCAPt). Cell proliferation, cell viability, formation of mineralization nodules, PT and ALP content were quantified. All samples were similar in terms of cell proliferation, with the exception of the FCAAg group compared to the control group (C). Regarding cell viability, C obtained higher viability than the other groups, and FCA obtained a higher rate than the FCAAg, FCACu, FCAPt groups, being similar to the FCAAu and FCAPd groups. The FCAAu and FCAPd groups showed differences to the FCAAg and FCACu groups. In the analysis of PT expression, there was only a difference between FCA and FCAAu, with FCAAu having lower expression of PT production. In the ALP assessment, the FCAAg and FACu groups showed a lower statistical difference compared to the C, FCAAu, FCAPd and FCAPt groups, in addition, the FCA group showed a lower rate than C. Conclusions: The fibers used as the basis for the incorporation of ions demonstrated great potential for use as a scaffold for bone repair, because in both studies, in activated and non-activated form, the fibers showed satisfactory cell viability and calcium quantification. The non-activated version is moreeconomical in terms of preparation time and cost. More studies must be carried out to ensure its clinical safety in relation to the cytotoxicity of the incorporation of gold and palladium ions. (AU)

Fibra de carbono: caracterização e avaliação da resposta inflamatória e toxicidade em ratos / Carbon Fiber from PAN textile fIibers: characterization and evaluation of the inflammatory response and toxicity in rat

Este estudo teve como objetivo avaliar a Fibra de Carbono obtida a partir da fibra PAN têxtil e de fibra de algodão, nas suas diferentes formas de apresentação: Feltro Fibra de Carbono Não Ativado (FFCNA), Feltro Fibra de Carbono Ativado (FFCA), Feltro de Fibra de Carbono Ativado com Prata (FFCAAg) e Tecido Fibra de Carbono Ativado (TFCA), com vistas à obtenção de scaffolds como potencial material com propriedades relativas à enxerto ósseo sintético. Foram realizados testes de caracterização: molhabilidade de superfície, ensaio de tração, ensaio de intumescimento e testes in vivo: avaliação da resposta inflamatória pela implantação dos materiais no tecido subcutâneo de quatorze ratos Wistar, avaliação das fibras colágenas pela coloração Picrosirius Red e avaliação da toxicidade nos seguintes órgãos: coração, baço, fígado e rim. No teste de molhabilidade, FFCNA e TFCA se mostraram hidrofóbicos (ɵ124º e 114º), FFCA e FFCAAg hidrofílicos. Para tensão máxima FFCA se apresentou mais resistente (2.983 ± 1.059). No ensaio de intumescimento os grupos FFCAAg e FFCA se mostraram com maior porcentagem de absorção para a solução PBS e água destilada. Os animais não apresentaram sinais clínicos de intoxicação. Os órgãos não apresentaram sinais de toxicidade sistêmica aguda. As regiões dos implantes apresentaram infiltrado inflamatório de leve a moderado em 7 e 21 dias. Apenas o grupo TFCA não apresentou maturação de fibras colágenas tipo I em 21 dias. Por meio das análises relizadas constatou-se que o TFCA se apresentou hidrofóbico, pouco resistente a tração e baixo potencial para maturação de fibras colágenas. Portanto o TFCA mostra-se com pouco potencial para ser indicado como possível scaffold para engenharia tecidual óssea. Conclui-se que FFCNA, FFCA e FFCAAg, possuem potencial para serem consideradas scaffolds, devido as seguintes características que foram apresentadas: boa taxa de absorção, hidrofilicidade e atóxicas. (AU)

This study aimed to evaluate the Carbon Fiber obtained from PAN textile fiber and cotton fiber, in its different forms of presentation: Non-Activated Carbon Fiber Felt (FFCNA), Activated Carbon Fiber Felt (FFCA), Activated Carbon Fiber with Silver (FFCAAg) and Activated Carbon Fiber Tissue (TFCA), with a view to obtaining scaffolds as a potential material with properties related to synthetic bone graft. Characterization tests were performed: surface wettability, traction test, swelling test and in vivo tests: evaluation of the inflammatory response by implanting the materials in the subcutaneous tissue of fourteen Wistar rats, evaluation of collagen fibers by Picrosirius Red staining and evaluation of toxicity in the following organs: heart, spleen, liver and kidney. In the wettability test, FFCNA and TFCA were hydrophobic (ɵ124º and 114º), FFCA and FFCAAg were hydrophilic. For maximum stress FFCA was more resistant (2.983 ± 1.059). In the swelling test, the FFCAag and FFCA groups showed the highest percentage of absorption for the PBS solution and distilled water. The animals did not show clinical signs of intoxication. The organs showed no signs of acute systemic toxicity. The implant regions showed mild to moderate inflammatory infiltrate at 7 and 21 days. Only the TFCA group did not show maturation of type I collagen fibers in 21 days. Through the analyzes carried out, it was found that the TFCA was hydrophobic, with little resistance to traction and low potential for collagen fiber maturation. Therefore, TFCA shows little potential to be indicated as a possible scaffold for bone tissue engineering. It is concluded that FFCNA, FFCA and FFCAAg have the potential to be considered scaffolds, due to the following characteristics that were presented: good absorption rate, hydrophilicity and non-toxic. (AU)

Fibra de carbono em defeitos ósseos de tamanho crítico: estudo in vivo em ratos / Carbon fiber in critical size bone defects: an in vivo study in rats

Materiais a base de carbono têm sido utilizado em várias áreas como química, engenharia, ciência dos materiais, ciências biomédicas, entre outras. Além disso, por serem quimicamente estáveis, mecanicamente fortes, acessíveis economicamente, e biologicamente compatíveis, chamaram a atenção como material de arcabouço para a engenharia tecidual óssea. Assim, o presente estudo teve como objetivo principal avaliar a fibra de carbono obtida a partir de fibra PAN têxtil, nas suas diferentes formas, com vistas à obtenção de scaffolds como potencial enxerto ósseo sintético. Foram utilizados 34 ratos adultos (Rattus norvegicus, variação albinus, Wistar), e realizados dois defeitos ósseos críticos na calvária de cada animal com 5 mm de diâmetro. Vinte e quatro animais foram divididos aleatoriamente em 4 grupos: Defeito ósseo + coágulo sanguíneo, Defeito ósseo + Feltro Fibra de Carbono Não Ativado (FFCNA), Defeito ósseo + Feltro Fibra de Carbono Ativado (FFCA), Defeito ósseo + Feltro Fibra de Carbono Ativado com Prata (FFCAAg), e foram observados por períodos distintos de 15 e 60 dias para análise histomorfométrica e micro CT. Dez animais foram divididos aleatoriamente nos mesmos 4 grupos para aplicação de marcadores fluorocromáticos e análise de aposição mineral (em andamento). Após o período de observação dos subgrupos, os animais foram eutanasiados por sobredose de anestesia geral. Em seguida, as calvárias foram removidas para as análises. Na avaliação dos dois períodos (15 e 60 dias), o FFCNA mostrou-se melhor para os parâmetros de Área de Neoformação óssea, Área de Neoformação Lamelar e Área de Neoformação Intramembranosa. Em 60 dias, o grupo FFCNA apresentou maior volume ósseo, volume tecidual e maior número de trabéculas, mostrando-se um material sintético promissor como scaffold para regeneração óssea (AU)

Carbon based materiais have been used in some areas like chemistry, engineering, materials science, biomedical science, among others. In addition, because they are chemically stables, mecanically strongs, economically acessibles, and biologically compatibles, they have drawn attention as a scaffold material for bone tissue engineering. Thus, the present study had a main objetive to evaluate the carbon fiber obtained from textile PAN fiber, in its diferents forms, as a scaffolds potential synthetic bone. Thirty four adult rats was used (Rattus norvegicus, albinus variation, Wistar), and two critical bone defects was made with 5mm in diameter. Thenty for animals was ramdoly divided in 4 groups: Bone deffect + blood clot; Bone deffect + Unactivated Carbon Fiber Felt (FFCNA); Bone deffect + Activated Carbon Fiber Felt (FFCA); Bone deffect + Carbon Fiber Felt Activated with Silver (FFCAAg), and was observed for different periods of 15 and 60 days for histomorfometrical analisys and micro CT. Ten animals was ramdoly divided in the same four groups for aplication of fluorochromatic markers and mineral apposition analisysis (in progress). After the observation period of the subgroups, the animals was euthanized by general aneshtesia overdose. Then, the calvarias was removed for the analysis. In the evaluation of the two periods (15 and 60 days), the FFCNA was better for the parameters of Bone Neoformation Area, Lamelar Neoformation Area and Intramembranous Neoformation Area. In 60 days, the FFCNA group presented higher bone volume, tissue volume and higher number of trabeculae, showing a promising synthetic material as scaffold for bone regeneration. (AU)

Efeito da concentração de tensão em compósitos sob flexão em quatro pontos para a confecção de infraestruturas de próteses fixas odontológicas sobre implantes / Effect of stress concentration in composites under four points bending test for the manufacture of infrastructures for fixed dental prostheses on implants

Com advento dos implantes osseointegráveis gerou se a possibilidade de pacientes edêntulos adquirirem próteses fixas. Para tanto são necessários procedimentos de conexão destes implantes à prótese fixa implantossuportada, como furos e entalhes, além de materiais que confiram maior rigidez ao sistema. Dentre os materiais mais usados como infraestrutura destas próteses estão as ligas metálicas como o cobalto-cromo (Co-Cr) fundido, o titânio (Ti) e compósitos. Os compósitos poliméricos reforçados por fibras de carbono (CPRFC) vêm ganhando destaque, porém interrupções nas fibras como furos podem gerar redução das suas propriedades mecânicas. Atualmente, com o desenvolvimento de novas propostas de tratamento de maxila e mandíbula edêntulas, como o tratamento All on Four®, existe a sobre extensão das próteses, gerando cantiléveres mais longos causando maiores tensões sobre o sistema protético, quando perfuradas para a adaptação de munhões. O objetivo deste trabalho é analisar o efeito da concentração de tensão nos CPRFC submetidos a cargas de flexão, com furo.. Para isso, foram confeccionados dois laminados compósitos em fibra de carbono. Um CPRFC foi produzido com matriz termoplástica de poli(sulfeto de fenileno) PPS, processado por Moldagem de Compressão a Quente, e outro da com matriz termorrígida de epóxi, processado via Moldagem por Transferência de Resina (RTM). Após a produção tanto o laminado termoplástico (TP) quanto o termorrígido (TR) foram perfurados e ensaiados em flexão de quatro pontos. O laminado carbono/PPS foi testado com furo de 4 mm, 5 mm e 6 mm. O carbono/epóxi foi testado com furo de 4 mm e 6 mm. Realizou-se então o ensaio de flexão em quatro pontos para determinação da resistência e módulo em flexão. Foi também realizada análise de fratura em flexão. Como resultados houve uma maior resistência e módulo de elasticidade para os laminados TR em todos os grupos comparados aos TP. A presença de furos nas dimensões estudadas não apresentou diferenças significativas no módulo de elasticidade, porém houve diferenças entre a força máxima de ruptura nos compósitos com furo. Portanto, o uso de CPRFC, apesar de que suas propriedades mecânicas em flexão serem menores que ligas metálicas, estes podem ser usados em infraestruturas protéticas devido ao seu alto módulo de elasticidade(AU)

With the advent of osseointegrated implants, the possibility of edentulous patients to acquire fixed prostheses was created. Therefore, procedures are required to connect these implants to the implant-supported fixed prosthesis, such as holes and notches, in addition to materials that provide greater stiffness to the system. Among the materials most used as infrastructure for these prostheses are metallic alloys such as molten cobalt-chromium (Co-Cr), titanium (Ti) and composites. Polymeric composites reinforced by carbon fibers (CPRFC) have been gaining prominence, however interruptions in fibers such as holes can reduce their mechanical properties. Currently, with the development of new proposals for the treatment of edentulous maxilla and mandible, such as the All on Four® treatment, there is an over extension of the prostheses, generating longer cantilevers, causing greater stress on the prosthetic system. The objective of this work is to carry out the analysis of the stress concentration in the CPRFC subjected to bending loads with hole. One of the possibilities of using CPRFC is the acquisition of pre-molded arc-shaped bars, to be drilled for the adaptation of trunnions, which serves as an infrastructure in Bränemark protocols, to be later screwed to the implants. Two carbon fiber composite laminates were manufactured. One CPRFC was produced with the association of thermoplastic matrix of poly (phenylene sulphide) PPS, processed by Hot Compression Molding, and another of the association of carbon fibers with epoxy matrix, processed via Resin Transfer Molding (RTM). After production, both the thermoplastic (TP) and the thermo-rigid (TR) laminates were cut and drilled. The TP laminate was tested without hole, with 4 mm hole, with 5 mm hole and with 6 mm hole. The TR material were divided into three groups, without hole, with a 4 mm hole and with a 6 mm hole. The four-point bending test was then performed to determine the strength and stiffness of laminates. A fracture analysis of delamination was also performed. As a result, there was a greater resistance and modulus of elasticity for the TR laminates in all groups compared to TP. The presence of holes in the studied dimensions did not present significant differences in the modulus of elasticity, however there were differences between the maximum breaking force in composites with a hole. Therefore, the use of CPRFC even though its mechanical properties in bending are less than metallic alloys, these can be used in prosthetic infrastructures due to their high modulus of elasticity(AU)