Composite cryogel foams of hydroxyapatite nanowires, β-TCP nanoparticles and cellulose nanofibers for bone regeneration

Abstract

Bone tissue is a vital component of the human body, providing structural support, protection, and mineral storage, while continuously remodelling to maintain its function. However, in cases of severe damage or disease, the natural regenerative process may be insufficient. The aim of this dissertation focuses on the production of cryogel foams composed by hydroxyapatite nanowires (Hap NW), β-trical- cium phosphate (β-TCP) nanoparticles, and cellulose nanofibers (CNF) for tissue engineering applica- tions. Hap NW and β-TCP nanoparticles were synthesised using the solvothermal and sol-gel methods, respectively. Subsequently, cryogels were produced from these materials with CNF in different concen- trations (mg/mL). The cryogels and their constituents were characterized by SEM, ATR-FTIR, XRD, ICP-OES, and cytotoxicity tests. Additionally, selected cryogels were subjected to bioactivity tests in SBF solution, thermal and structural stability tests, mechanical and porosity/surface area assessments. The results indicate a uniform distribution of components in the cryogels and non-cytotoxic com- positions when using low concentrations of CNF (≤ 2.5 mg/mL) due to the possible absorption of nutri- ents from the medium, essential for cell survival. There was no evidence of good bioactivity, as no significant variation was observed in the concentration of Ca²⁺ and P³⁻ in the SBF or in the SEM/EDS analyses. DSC-TG results showed that the combination of Hap and β-TCP increased thermal resistance, while CNF compromised its stability. The evidence of macroporosity from the isothermal curves, low Young’s modulus (<100 KPa), with variations related to compositions, and low density indicate the presence of a viscoelastic material with flexible and deformable properties, essential for adapting to biological tissues. However, optimizing stiffness, additional tests of biological compatibility, and tissue formation are still required.

O tecido ósseo é um componente vital do corpo humano, fornecendo suporte estrutural, proteção e armazenamento de minerais, enquanto se remodela continuamente para manter a sua função. No entanto, em casos de danos ou doenças graves, o processo regenerativo natural pode ser insuficiente. O objetivo desta dissertação foca-se na produção de espumas de criogel compostas por nanofios de hidroxiapatite (Hap NW), nanopartículas de β fosfato tricálcico (β-TCP) e nanofibras de celulose (CNF) para aplicação em engenharia de tecidos. Os Hap NW e as nanopartículas de β-TCP foram sintetizadas pelo método solvotérmico e sol- gel, respetivamente. Seguidamente, foram produzidos criogéis a partir destes materiais com CNF em diferentes concentrações (mg/mL). Os criogéis, e seus constituintes, foram caraterizados por SEM, ATR-FTIR, XRD, ICP-OES e por testes de citotoxicidade. Adicionalmente, os criogéis selecionados foram submetidos a testes de bioatividade em solução de SBF, estabilidade térmica e estrutural, mecâ- nicos e de porosidade/área superficial. Os resultados indicam uma uniformidade de distribuição dos componentes nos criogeis e com- posições não citotóxicas aquando do uso de baixas concentrações de CNF (< 2.5 mg/mL) devido à possível absorção de nutrientes do meio, essenciais à sobrevivência celular. Não houve indícios de boa bioatividade por não se verificar variação significativa na concentração de Ca²⁺ e P³⁻ no SBF e no SEM/EDS. Resultados de DSC-TG mostraram que a combinação de Hap e β-TCP aumentou a resistên- cia térmica, enquanto a CNF comprometeu a sua estabilidade. A evidência de macroporosidade pelas curvas isotérmicas, baixo módulo de Young (<100 KPa), com variações relacionadas às composições e baixa densidade indicam a presença de um material viscoelástico com propriedades flexíveis e de de- formação essenciais na adaptação aos tecidos biológicos. Contudo, é necessário a otimização da sua rigidez, testes adicionais de compatibilidade biológica e formação de novos tecidos.