Desenvolvimento de compósitos de hidrogel de alginato com biovidro clorado para regeneração óssea: um método customizável através da impressão 3D

Este estudo desenvolveu um compósito inovador utilizando a combinação do hidrogel de alginato com biovidro clorado S53P4 para criar estruturas personalizadas através da impressão 3D, com o objetivo de promover a regeneração óssea. Foram desenvolvidos compósitos de hidrogel de alginato com diferentes proporções de biovidro clorado (5%, 10% e 20%), a composição dos hidrogéis foi alginato de sódio, gelatina de pele suína e cloreto de cálcio. Após o preparo dos compósitos foi feita a impressão dos scaffolds 3D com otimização dos parâmetros de densidade e porosidade para produzir scaffolds personalizados. Para a caracterização dos scaffolds foi feito FTIR e MEV/EDS, avaliando a formação de fases cristalinas e a composição do material. Para os ensaios celulares foi utilizada a linhagem celular MG63, e para estudo da interação do material com a cultura celular foram feitas análises in vitro. Para qualificar e quantificar a viabilidade celular pela técnica de MTT (após 24h e 72h) e de proteína total, e para avaliar a formação de matriz mineralizada e indução de neoformação óssea foi feita a avaliação de fosfatase alcalina e quantificação de nódulos de mineralização. A interação do material com as células foi avaliada também por MEV. As propriedades físico químicas foram estudadas por meio de ensaios de análise de ângulo de contato e de intumescimento após 24h.Também foram avaliadas as propriedades mecânicas dos scaffolds por meio de ensaios mecânicos de resistência a tração e compressão. Os resultados demonstraram que a incorporação de biovidro exerceu influência significativa sobre as propriedades dos hidrogéis de alginato os scaffolds com biovidro clorado S53P4 apresentaram propriedades físico-químicas adequadas com morfologia regular, comportamento hidrofílico e capacidade de intumescimento compatível com o meio biológico. E com resistência a compressão e tração compatíveis com os hidrogéis de alginato sem biovidro. Além disso os hidrogéis contendo biovidro clorado S53P4 apresentaram-se citocompativies, não interferiram negativamente na viabilidade celular e não comprometeram a adesão celular. E a análise de formação de matriz mineralizada e de nódulos de mineralização evidenciou que todos os grupos foram capazes de promover a deposição de matriz mineralizada e apresentaram formação de nódulos. Quando comparadas às formulações sem biovidro, os grupos com biovidro clorado S53P4 tendem a favorecer a mineralização, por meio da liberação controlada de íons como cálcio e silício, conhecidos por estimular vias osteogênicas. As análises demonstraram que as alterações das propriedades dos hidrogéis foram dependentes da concentração de biovidro. Destacou-se a formulação com 5% de biovidro pelo melhor equilíbrio entre as propriedades estruturais (físico-químicas), mecânicas e biológicas.

Resumo (inglês)

This study developed an innovative composite by combining alginate hydrogel with chlorinated S53P4 bioactive glass to create customized structures through 3D printing, aiming to promote bone regeneration. Alginate hydrogel composites containing different proportions of chlorinated bioactive glass (5%, 10%, and 20%) were developed. The hydrogel composition consisted of sodium alginate, porcine skin gelatin, and calcium chloride. After preparation of the composites, 3D scaffold printing was performed with optimization of density and porosity parameters to produce customized scaffolds. Scaffold characterization was carried out using FTIR and SEM/EDS analyses to evaluate crystalline phase formation and material composition. For cellular assays, the MG63 cell line was used, and in vitro analyses were performed to study the interaction between the material and the cell culture. Cell viability was qualified and quantified using the MTT assay (after 24 h and 72 h) and total protein quantification. To evaluate mineralized matrix formation and the induction of bone neoformation, alkaline phosphatase activity and mineralization nodule quantification were performed. Cell–material interaction was also evaluated by SEM. Physicochemical properties were investigated through contact angle analysis and swelling tests after 24 hours. Mechanical properties of the scaffolds were also assessed through tensile and compressive strength tests. The results demonstrated that the incorporation of bioactive glass significantly influenced the properties of alginate hydrogels. Scaffolds containing chlorinated S53P4 bioactive glass exhibited suitable physicochemical properties, with regular morphology, hydrophilic behavior, and swelling capacity compatible with the biological environment, as well as compressive and tensile strength comparable to alginate hydrogels without bioactive glass. Additionally, hydrogels containing chlorinated S53P4 bioactive glass were cytocompatible, did not negatively interfere with cell viability, and did not impair cell adhesion. Furthermore, the analysis of mineralized matrix formation and mineralization nodules demonstrated that all groups were capable of promoting mineralized matrix deposition and nodule formation. When compared with formulations without bioactive glass, groups containing chlorinated S53P4 bioactive glass tended to favor mineralization through the controlled release of ions such as calcium and silicon, which are known to stimulate osteogenic pathways. The analyses demonstrated that changes in hydrogel properties were dependent on bioactive glass concentration. The formulation containing 5% bioactive glass stood out for presenting the best balance among structural (physicochemical), mechanical, and biological properties