Anhydrous copolymer binders for calcium phosphate ceramic in moldable putties for bone regeneration

This thesis work focuses on the development of a clinically relevant product for bone regeneration in low-weight bearing sites as moldable putty, with osteoinductive CaP ceramic granules embedded in an anhydrous polymeric binder. First, ceramic granules were physico-chemically characterized and their osteoinductivity assessed with an in vivo model. Next, three copolymeric binders with different chemistries were synthesized and characterized to assess the efficiency of the synthesis procedure, their resistance to sterilization via gamma-ray irradiation and to compare their physical properties, to understand which chemistry better led to a polymer whose characteristics meet those of an ideal polymeric binder for the ceramic granules. Three different putties were then prepared combining the osteoinductive granules with the three previously developed copolymers. The composites were then characterized in various physical aspects to assess which material better complied with the specifications for the final product. Finally, in vitro cytotoxicity studies with culture medium conditioned with polymers and putties at different concentrations were performed and allowed for preliminary evaluations of the osteogenic potential of the three considered putties.

Il lavoro di tesi si è focalizzato sullo sviluppo di un riempitivo osseo nella forma di putty (pasta modellabile) in cui granuli di calcio fosfati osteoinduttivi sono incorporati in una matrice polimerica (o binder) malleabile che permetta di modellare il materiale a seconda della forma del difetto da riempire. Nella prima fase del lavoro ci si è occupati della caratterizzazione chimico-fisica e della verifica del potenziale osteoinduttivo di granuli di una ceramica di calcio fosfato bifasico. In seguito, ci si è focalizzati sulla realizzazione di un binder polimerico anidro ideale, che presentasse opportune proprietà reologiche, conferendo coesione alla putty. La scelta del polimero si è basata su specifiche quali la stabilità delle proprietà fisiche e chimiche dopo la sterilizzazione con raggi γ e una rapida cinetica di degradazione una volta a contatto con l’ambiente corporeo. Sono stati sintetizzati tre copolimeri biodegradabili con struttura a triblocco e con medesima composizione delle catene laterali ma diversa chimica del blocco centrale. I tre copolimeri sono stati quindi sottoposti ad una caratterizzazione fisico-chimica prima e dopo la loro sterilizzazione con raggi γ. Si è voluto investigare l’efficienza del processo di sintesi, la resistenza dei tre polimeri alla sterilizzazione e l’influenza della chimica del blocco centrale sulle proprietà fisiche dei materiali. Infine, sono state preparate tre diverse putties mescolando i granuli di calcio fosfati osteoinduttivi con i tre rispettivi binder polimerici. I tre compositi sono quindi stati caratterizzati fisicamente dopo sterilizzazione con raggi γ, per valutare quale materiale fosse il migliore dal punto di vista dell’applicazione clinica ricercata. Una preliminare caratterizzazione biologica dei tre copolimeri e delle rispettive putties è stata quindi condotta tramite uno studio di citotossicità indiretta in vitro. Si è valutato l’effetto dei prodotti di degradazione dei materiali sulla proliferazione e sulla differenziazione delle cellule dopo 14 giorni di coltura, allo scopo di ottenere risultati preliminari riguardo al potenziale osteogenico indotto dai prodotti di degradazione rilasciati dalle tre diverse putties.