Bone regeneration by tuning the drug release from the calcium phosphate scaffolds

Abstract

Bone is among the most transplanted tissues for regeneration of bone defects, caused by trauma, age-related bone loss or bone infections. Due to their similar characteristics to the mineral phase of bone, calcium phosphates (CaPs) have raised a lot of interest. Some properties of CaPs, like biodegradability, biocompatibility, bioactivity and osteoconduction represent a great potential for this application. Among them, calcium phosphate cements (CPCs) have additional advantages like injectability and in situ hardening ability. Moreover, the possibility to tune the porosity of CaPs in general and of CPCs in particular, makes them suitable vehicles for local delivery of drugs. Loading CaPs with drugs allows conferring additional functionalities to the synthetic bone grafts, which is of great interest. The main aim of this thesis is to explore CaP bioceramics as vehicles for local delivery of drugs, covering both low temperature biomimetic ceramics, like calcium deficient hydroxyapatite (CDHA), and high temperature sintered ceramics, like beta tricalcium phosphate (ß-TCP), in the form of microporous and macroporous substrates. The physic-chemical nature of these bioceramics, their porosity and textural properties plays an essential role in their drug delivery properties. In order to be able to tailor the drug release kinetics of the bioceramics beyond their intrinsic properties, plasma polymerization has been investigated. Plasma is a particular state of a gas, electrically neutral, which can be employed in different applications. Although plasma polymerization has been widely studied for biomedical applications, its combination with bioceramics is rather unexplored. To select a suitable drug for bone regeneration, an extensive literature review was done on statins, and more particularly on simvastatin as a potential osteogenic and angiogenic promoter. This drug was evaluated within macroporous scaffolds of either CDHA or ß-TCP as drug delivery vehicles. The drug-loaded materials were plasma-coated with polycaprolactone: poly ethylene glycol (PCL:PEG) co-polymers. The coating covered the micro and nanopores of the CaPs surface and produced complex geometries presenting a nano and micro rough morphology which led to low wettability despite the hydrophilicity of the copolymer. Plasma coating with PCL-co-PEG on scaffolds loaded with simvastatin acid allowed delaying and modulating the drug release from the bone scaffolds depending on the thickness of the layer deposited, which, in turn depended on the initial specific surface area of the CaP. To further investigate the fundamentals of plasma polymerization on bioceramics, PEG-like polymer coatings of different thickness were deposited on microporous ß-TCP loaded with antibiotics. The rough ß-TCP surface was associated to strong hydrophobic surface properties, which nevertheless retained their suitable biological behavior with regard to human osteoblast cells. The microbiological activity of the antibiotics was preserved, and the coatings reduced the total amount of drug released as a function of the increasing plasma treatment time. In another approach, a statin that had never before been employed in combination with CaPs, Pitavastatin (PITA), was investigated as potentially osteogenic and angiogenic promoter through in vitro studies which revealed dose-dependent enhancement of mineralization and vascularization. The incorporation of PITA to the liquid phase of an injectable CDHA foam allowed obtaining injectable local drug delivery scaffolds, without altering their macroporosity or textural properties. The drug release kinetics was affected by the evolving microstructure of the setting of the macroporous cement. Overall the results obtained proved that PITA seems to be a suitable novel candidate to enhance the osteogenic potential of synthetic bone grafts and identified the required doses to obtain the desired biological effects.

Los fosfatos de calcio (CaPs) tienen gran potencial como sustituto óseo por sus propiedades como biodegradabilidad, biocompatibilidad, bioactividad y osteoconducción. Entre ellos, los cementos de fosfato de calcio (CPC) tienen ventajas adicionales como la inyecctabilidad y la capacidad de fraguado a baja temperatura. La posibilidad de modular la porosidad de los convierte en vehículos adecuados para la liberación local de fármacos. El objetivo principal de esta tesis es explorar las biocerámicas de CaP como vehículos para la administración local de fármacos, que abarcan cerámicas biomiméticas de baja temperatura, como la hidroxiapatita deficiente en calcio (CDHA) y cerámicas sinterizadas a alta temperatura, como el fosfato tricálcico beta (β-TCP) en forma de sustratos micro y macroporosos. Para modular la cinética de liberación del fármaco de las biocerámicas más allá de sus propiedades intrínsecas, se ha investigado la polimerización de plasma. El plasma es un estado particular de un gas, eléctricamente neutro, que puede emplearse en diferentes aplicaciones. Aunque la polimerización por plasma ha sido ampliamente estudiada para aplicaciones biomédicas, su combinación con biocerámicas es muy novedosa. Para seleccionar un fármaco adecuado para la regeneración ósea, se realizó una extensa revisión de la literatura sobre las estatinas, y más particularmente sobre la simvastatina como potencial promotor osteogénico y angiogénico (Capítulo 2). Este fármaco se evaluó en andamios macroporosos de CDHA o β-TCP que fueron recubiertos con plasma con copolímeros de policaprolactona: polietilenglicol (PCL: PEG). El recubrimiento produjo geometrías complejas que presentaban una morfología nano y micro rugosa que condujo a una baja mojabilidad a pesar de la hidrofilidad del copolímero. El recubrimiento de plasma con PCL-co-PEG permitió retrasar y modular la liberación de simvastatina de los andamios óseos dependiendo del espesor de la capa depositada, la cual, a su vez, dependía del área superficial específica inicial del CaP (Capítulo 3). Para investigar más a fondo los fundamentos de la polimerización por plasma en biocerámica, se depositaron capas poliméricas tipo PEG de espesor diferente sobre β-TCP microporoso cargado con antibióticos. La elevada rugosidad superficial del β-TCP, una vez recubierto con plasma asoció propiedades hidrófobas, que sin embargo conservaron su comportamiento biológico adecuado con respecto a las células osteoblásticas humanas. Se conservó la actividad microbiológica de los antibióticos y los recubrimientos redujeron la cantidad total de fármaco liberado en función del tiempo de tratamiento con plasma (capítulo 4). En otro enfoque, una estatina que nunca antes se había empleado en combinación con CaPs, Pitavastatina (PITA), se investigó por su potencial osteogénico y angiogénico. Estudios in vitro revelaron un aumento de la mineralización y vascularización dependiente de la dosis. La incorporación de PITA a la fase líquida de una espuma inyectable CDHA permitió la obtención de andamios, sin alterar su macroporosidad o propiedades texturales. La cinética de liberación del fármaco depende de la microestructura en evolución derivada del fraguado del cemento macroporoso. En general, los resultados muestran que PITA puede ser un candidato adecuado para mejorar el potencial osteogénico de los andamios de fosfato de calcio (Capítulo 5)