Tuning the biological performance of calcium phosphates through microstructural and chemical modifications

Premi Extraordinari de Doctorat, promoció 2016-2017. Àmbit d’Enginyeria Industrial
Bone is the most transplanted tissue after blood. As pointed out by the World Health Organization, musculoskeletal diseases can potentially rise as the fourth largest cause of disability within the next years. Unfortunately, despite the natural ability of bone to self-heal it cannot bridge large bone defects without the help of a material. Still today the gold standard to restore bone function remains the use of natural bone grafts. However, they have several limitations that need to be overcome to accommodate the high demands of a global ageing population. Calcium phosphate (CaP) bone grafts have been known since the 1970s and stand as excellent synthetic candidates due to their composition, similar to the mineral phase of bone which consists of approximately 70 wt% of hydroxyapatite (HA). CaPs, and in particular HA, possess outstanding intrinsic properties such as biocompatibility, bioactivity and the ability to support bone growth. However, HA is too stable and once implanted it hardly degrades. Ideal synthetic bone grafts should integrate in the bone remodelling cycle, balancing implant resorption with its progressive replacement by new bone. This can be achieved either by modulating the material¿s physicochemical properties, or by combining the substrate with biological molecules capable of adequately orchestrating the various cells involved in the bone healing process. The present thesis seeks to explore, on the one hand, the feasibility of modulating the physicochemical properties of CaPs towards improving its degradation behavior, and, on the other hand, to investigate the potential CaP functionalization with heparin as a strategy to improve their biological performance at the various stages of bone healing: during the initial phase of inflammation, and during the stages of bone resorption and bone growth. The first part of the present thesis deals with the in vitro degradation of CaPs in a solution mimicking the osteoclastic environment, focusing specifical
L'os és el teixit més trasplantats desprès de la sang. L'organització Mundial de la Salut ha posat de relleu l'increment de les malalties musculoesquelètiques, les quals esdevindran la quarta causa mundial de discapacitat en el següents anys. Malgrat la capacitat natural de l'ós per autoregenerar-se, els defectes ossis de grans dimensions necessiten l'ajuda de materials per restaurar-se completament. Actualment, l'ús d'empelts naturals és l'alternativa més emprada clínicament. Tot i això, els autoempelts comporten certes limitacions que requereixen ser adreçades per tal de fer front a les elevades demandes d'una població mundial amb un grau d'envelliment creixent. Els empelts basats en fosfats càlcics (CaPs) són coneguts des de la dècada del 1970 i són uns excel·lents candidats per a la regeneració òssia donada la seva composició, similar a la fase mineral de l'os, que consisteix en aproximadament un 70% d'hidroxiapatita (HA). Els CaPs, en particular l'HA, posseeixen unes propietats intrínseques excepcionals com ara la biocompatibilitat, bioactivitat o la capacitat de suportar el creixement de nou os. Malgrat la seva semblança amb l'os, l'HA és massa estable químicament, i un cop implantada es degrada molt lentament. L'empelt ossi sintètic idealment s'hauria d'integrar en el cicle de remodelació òssia, el que requereix d'un balanç entre la seva reabsorció i la progressiva substitució per os nou. Aquesta capacitat es pot modular mitjançant propietats inherents del material o per mitjà de la combinació de substrats amb molècules capaces d'orquestrar adequadament les respostes de les diverses cèl·lules implicades en la restauració o regeneració òssia. La present tesis cerca explorar, per una banda, la possibilitat de modular les propietats físico-químiques dels CaPs per tal de millorar la seva degradació, així com investigar el potencial de funcionalitzar els CaPs amb heparina, amb la finalitat de millorar les interaccions biològiques a les diferents etapes de la resta
Award-winning
Postprint (published version)