A study of the rheological properties and injectability of calcium phosphate cements : application to minimally invasive surgical procedures and scaffold fabrication for tissue engineering through rapid prototyping

Abstract

The present work addresses two different applications enabled by a specific and useful property of calcium phosphate cements (CPCs): injectability. On the one hand minimally invasive procedures involving the use of CPCs are based on the injectability of such biomaterials, and on the other hand extrusion-based additive manufacturing processes such as robocasting rely on this property to correctly manufacture personalized 3D-printed scaffolds for the treatment of large bone defects. The present thesis is divided in three different sections. The first one consists in a study of the differences of injectability of aqueous pastes of the two allotropic forms of tricalcium phosphate, namely a- and ß-TCP. The reactivity of the powder was shown to play a significant role in the injectability of TCP pastes. Significant differences were observed between the injection behaviour of non-hardening ß-TCP pastes and that of selfhardening a-TCP pastes. The differences were more marked at low liquid-to-powder ratios, using fine powders and injecting through thin needles. Although, as a general trend, faster-setting pastes were less injectable, some exceptions to this rule were found. For example, whereas in the absence of setting accelerants fine TCP powders were more injectable than the coarse ones, in spite of their shorter setting times, this trend was inverted when setting accelerants were added, and coarse powders were more injectable than the fine ones. In the second section thermoresponsive pastes are developed through the combination of CPCs with an inversethermoresponsive hydrogel. Although calcium phosphate cements (CPCs) are used for bone regeneration in a wide range of clinical applications, various physicochemical phenomena are known to hinder their potential use in minimally invasive surgery or in highly vascularized surgical sites, mainly because of their lack of injectability or their low washout resistance. The proposed strategy allowed to finely tune the cohesive and rheological properties of CPCs to achieve clinical acceptable injectability. It avoided phase separation during implantation and improved cohesion, avoiding washout of the paste. Using the knowledge acquired about the injectability behaviour of TCP pastes, the additive manufacturing of 3D printed scaffolds is studied in the last section. More precisely, this study dealt with the robocasting of alpha-tricalcium phosphate/gelatine reactive slurries as a bioinspired self-setting ink for the production of biomimetic hydroxyapatite/gelatine scaffolds. A controlled and totally interconnected pore network of approximately 300 µm was obtained after ink printing and setting, with the struts consisting of a micro/nanoporous matrix of needle-shaped calcium deficient hydroxyapatite crystals, with a high specific surface area. Gelatine was effectively retained by chemical crosslinking. The setting reaction of the ink resulted in a significant increase of both the elastic modulus and the compressive strength of the scaffolds, which were within the range of the human trabecular bone. In addition to delaying the onset of the setting reaction, thus providing enough time for printing, gelatine provided the viscoelastic properties to the strands to support their own weight, and additionally enhanced mesenchymal stem cell adhesion and proliferation on the surface of the scaffold. Altogether this new processing approach opens good perspectives for the design of hydroxyapatite scaffolds for bone tissue engineering with enhanced reactivity and resorption rate.

El presente trabajo contempla dos aplicaciones permitidas por una propiedad específica y útil de los cementos de fosfato de calcio (CPCs): la inyectabilidad. Por un lado, los procedimientos quirúrgicos mínimamente invasivos que implican el uso de los cementos de fosfatos de calcio se basan en su inyectabilidad y por otro los procesos de fabricación aditiva basados en la microextrusión como por ejemplo el robocasting se fundamentan en esta propiedad para fabricar andamios impresos en 3D para el tratamiento de defectos óseos grandes. Esta tesis se divide en tres secciones diferentes. La primera consiste en un estudio de las diferencias en la inyectabilidad de pastas cuyas fases solidas esta compuestas por dos formas alotrópicas del fosfato tricálcico (TCP), respectivamente a- y ß-TCP. La reactividad de los polvos ha sido identificada como teniendo un rol significativo en la inyectabilidad de pastas de TCP. Las diferencias fueron más marcadas a una relación liquido-polvo baja, usando polvos finos e inyectando las pastas por cánulas finas. Sin embargo, como tendencia general, las pastas de fraguado más rápido fueron las menos inyectables, algunas excepciones a esta regla fueron encontradas. Por ejemplo, en ausencia de acelerante del fraguado las pastas de polvos finos de TCP fueron más inyectables que las de polvos gruesos a pesar de sus tiempos de fraguado más corto, esta tendencia fue invertida cuando se empleó soluciones de acelerante y los polvos gruesos resultaron más inyectables que los finos. En la segunda sección de esta tesis, cementos termosensibles fueron desarrollados mediante la combinación de CPCs con un hídrogel termosensible. Aunque los CPCs se usen para la regeneración ósea en una variedad importante de indicaciones clínicas, varios fenómenos fisicoquímicos pueden comprometer su uso para procedimientos quirúrgicos mínimamente invasivos o en sitios quirúrgicos altamente vascularizados, principalmente debido a su falta de inyectabilidad o su baja resistencia cohesiva al lavado por líquidos. La estrategia propuesta ha permitido ajustar la cohesión y las propiedades reológicas del cemento alcanzando una inyectabilidad clínicamente aceptable. Permitió evitar la separación de fases durante la inyección y mejoró la cohesión, evitando el lavado y desintegración de la pasta. Usando el conocimiento adquirido sobre la inyectabilidad de pastas de TCP, se estudió la fabricación aditiva de andamios mediante impresión 3D. Más precisamente, este estudio trató con la fabricación por robocasting empleando una mezcla reactiva de gelatina/a-TCP como tinta bioinspirada de andamios de hidroxiapatita/gelatina con una composición biocinética. Se obtuvo una red de poros totalmente interconectados de unos 300 µm, con los hilos compuestos de una matriz micro/nanoporosa de cristales aciculares de hidroxiapatita deficiente en calcio presentando una elevada superficie especifica. La gelatina fue correctamente retenida gracias a un procedimiento de entrecruzado químico. La reacción de fraguado de la tinta resultó en un aumento significativo del módulo elástico y de la resistencia a compresión, que se situó en el rango de la del hueso trabecular humano. Adicionalmente al retraso en el comienzo de la reacción de fraguado, permitiendo mientras la impresión de la tinta, la gelatina confirió propiedades viscoelasticas a los hilos extruidos para soportar su propio peso, y adicionalmente mejoró la adhesión y proliferación de células mesénquimales sobre el andamio. En su conjunto este trabajo abre perspectivas nuevas para el diseño de andamios de hidroxiapatita para ingeniería de tejido óseo con reactividad y reabsorción mejoradas.