Development of bioactive bioceramics as delivery systems for regenerative medicine

Abstract

I disturbi ossei e la gestione associata a traumi e a varie malattie degenerative come l'osteoporosi, le infezioni ossee e i tumori, che causano dolore, disabilità e mortalità, sono in costante aumento nella popolazione mondiale, rappresentando così un problema clinico altamente critico. Per trattare queste condizioni, l'approccio più comune prevede l'uso di farmaci somministrati a livello sistemico e, in alcuni casi, la rimozione chirurgica dell'osso interessato. L’esigenza clinica principale è quindi quella di riparare l'osso colpito e fornire un trattamento medico efficace. Questa Tesi di Dottorato è perciò dedicata alla progettazione e allo sviluppo di sostitutivi ossei bioceramici porosi e bioattivi come piattaforme per il trasporto di farmaci, con l’obiettivo di sviluppare nuove terapie per il trattamento deidisturbi ossei. Questo lavoro mostra diversi metodi di funzionalizzazione di vari costrutti 3D a base di idrossiapatite, selezionata come biomateriale rilevante per la rigenerazione ossea, grazie alla sua elevata mimesi con la composizione minerale dell'osso, con l'obiettivo di ottenere scaffold medicati in grado di promuovere la rigenerazione ossea e garantire una terapia locale efficace. Tutti gli scaffold studiati in questa tesi sono particolarmente adatti per la rigenerazione di diversi siti ossei e sono stati funzionalizzati con diversi farmaci antibiotici e antitumorali. Dipendentemente dalla natura chimica del farmaco e dalle caratteristiche dello scaffold è stato ottimizzato l’approccio di funzionalizzazione. Un obiettivo rilevante della Tesi è la comprensione dei meccanismi che regolano il processo di rilascio dai diversi scaffold, una conoscenza fondamentale per lo sviluppo di dispositivi medicati e per ottenere una somministrazione farmacologica clinicamente efficace. In particolare, questo lavoro prova a spiegare come le proprietà fisico-chimiche e strutturali degli scaffold influenzino il meccanismo di rilascio tramite l’applicazione del modello matematico di Korsmeyer-Peppas (un modello semi-empirico che correla il rilascio esponenzialmente con il tempo). Dai risultati ottenuti si evince che la nanostruttura e le caratteristiche generali della porosità (il grado di porosità, la distribuzione e la dimensione dei pori e l’interconnettività) sono tra le caratteristiche più importanti degli scaffold che possono influenzare maggiormente la cinetica e il meccanismo di rilascio. Gli scaffold macroporosi sinterizzati trovano applicazione nella cranioplastica e nella chirurgia maxillo-facciale. Sono caratterizzati da una macroporosità aperta e interconnessa ma, a causa del processo di sinterizzazione utilizzato per il loro consolidamento, presentano un'attività superficiale relativamente bassa che impedisce la formazione di interazioni forti con il farmaco, portando così a un rilascio rapido. Per rallentare e modulare la cinetica di rilascio del farmaco, è stato necessario ricoprire lo scaffold con uno strato polimerico che agisce come da barriera estendendo il percorso di diffusione del farmaco stesso. I cementi ossei possono essere utilizzati in clinica nella chirurgia minimamente invasiva come vertebroplastica e fusione spinale o come riempitivo osseo. I cementi sviluppati in questo lavoro sono caratterizzati da una nanostruttura e da una microporosità diffusa. Dipendentemente dai bisogni clinici e dalla natura chimica dei farmaci testati, sono stati ottimizzati gli approcci di funzionalizzazione. Uno dei risultati più interessanti suggerisce che l'introduzione di nanoparticelle di idrossiapatite, caricate con farmaco, alla formulazione del cemento può essere un valido approccio per modulare il rilascio di farmaci. Tutti i cementi ossei medicati studiati risultano essere in grado di rilasciare farmaci in dosi cliniche rilevanti, come dimostrato dagli studi in-vitro, rendendo i cementi degli scaffold molto promettenti per il trattamento locale di diversi disturbi ossei. Gli scaffold biomorfi studiati in quest’attività di ricerca sono i Sostituti Ossei b.Bone™, forniti dall’azienda Greenbone Ortho S.p.A. nell’ambito del Progetto di Ricerca DINAMICA, e sono comunemente utilizzati per la rigenerazione delle ossa lunghe e portanti carico. Questi scaffold sono caratterizzati nanostruttura lamellare e porosità gerarchica multiscala. Queste caratteristiche permettono di funzionalizzare la superficie e ottenere un rilascio a lungo termine senza il bisogno di introdurre strati diffusivi. Oltre la consolidata biocompatibilità e biomimesi di questo scaffold, questo lavoro mostra la suacapacità quando medicato di rilasciare farmaci in dosi clinicamente rilevanti, come dimostrato da test in vitro, rendendolo un biomateriale in grado di promuovere la rigenerazione osseae di fornire un’efficiente terapia locale.

Bone disorders and manage associated to traumas and various degenerative diseases such as osteoporosis, bone infections and tumours, causing pain, disability and mortality, are steadily increasing in the world population, thus representing a highly critical clinical problem. The most common approach to treat these conditions is the systemic administration of drugs and, in some cases, the surgical removal of the affected bone. The main clinical need is therefore to repair the affected bone and provide effective medical treatment for these conditions. This present thesis is therefore dedicated to the design and development of bioactive porous bioceramic scaffolds as drug delivery system with the aim of developing new effective therapies for the treatment of bone disorders. The work presents different methods for functionalising various 3D constructs based on hydroxyapatite (HA), selected as relevant biomaterial for bone regeneration, due to its high mimicry with the bone mineral composition, with the aim of obtaining medicated scaffolds ensuring of promoting bone regeneration and ensuring effective on-site therapy. The scaffolds investigated in this work are characterized by different chemical composition, structure and porosity, suitable for the treatment of different bony sites and have been functionalised with various antibiotic and anticancer drugs. The functionalisation approach has been optimised according to the chemical nature of the drug and the characteristics of the scaffold. A relevant objective of my thesis is to understand the mechanisms regulating the release process from the different scaffolds, which is a fundamental knowledge for the development of medicated devices, to achieve clinically effective drug delivery. In particular, this work attempts to explain how the physicochemical and structural properties of scaffolds may influence the release mechanism through the application of the Korsmeyer-Peppas model (a mathematical semi-empirical model that correlates release exponentially with time). The results show that the scaffold nanostructure and the overall porosity characteristics (degree of porosity, pore size and distribution, and interconnectivity) are the most important features that may have a major impact on the kinetic release mechanism. Macroporous sintered scaffolds are relevant in cranioplasty and maxillofacial surgery. They are characterised by an open and interconnected macroporosity but, due to the sintering process used for their consolidation, exhibit relatively low surface activity preventing strong linking to the drug, thus leading to burst drug release. To slacken and modulate the drug release kinetics, it was necessary to cover the scaffold with a polymer layer that acts as a barrier extending the diffusion path of the drug. Bone cements can be used in minimally invasive surgery such as vertebroplasty and spinal fusion or as bone fillers. The cements developed in this work are characterised by a nanostructure and diffuse microporosity. The functionalisation approaches were different, depending on the chemical nature of drugs tested. One of the most interesting results suggests that the introduction the introduction of apatitic nanoparticles linking the drug into the cement formulation may be a valid approach to modulate drug release. All medicated bone cements studied were able of releasing drugs at clinically relevant doses, as demonstrated by in vitro studies, making them as very promising scaffold for the local treatment of various bone diseases. The biomorphic scaffolds studied in this research activity are the b.Bone™ bone substitutes supplied by Greenbone Ortho S.p.A.as a partner of the DINAMICA research project and are commonly used for the regeneration of long and load-bearing bones. These scaffolds are characterised by lamellar nanostructure and hierarchic multiscale porosity. These features allow surface functionalisation and long-term release without the need to introduce diffusive layer. In addition to the well-established biocompatibility and biomimicry of this scaffold, this work shows its ability to release drugs at clinically relevant doses when medicated, as demonstrated by in vitro tests, making it a promising biomaterial that can promote bone regeneration and provide efficient local therapy.