Hidrogéis de biopolímeros para liberação controlada de fármacos e aplicações em impressão 3D

Abstract

Os hidrogéis são materiais promissores para aplicações biomédicas, devido à sua biocompatibilidade e capacidade de incorporação de fármacos. Neste trabalho, foram desenvolvidos hidrogéis à base de nanocristais de celulose bacteriana (BCNC), fibroína de seda (FB), goma gelana (GG) e nanopartículas magnéticas (NPM), com o objetivo de avaliar suas propriedades físico-químicas, estruturais e biológicas. A síntese dos BCNC foi realizada por hidrólise ácida da celulose bacteriana, e os hidrogéis foram formulados com diferentes composições para otimizar suas propriedades. A caracterização dos materiais foi realizada por diversas técnicas. A Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) confirmou que os BCNC possuem morfologia de whiskers, com comprimento médio de 183 nm e espessura média de 23 nm. A Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) demonstrou a adesão das NPM às superfícies dos hidrogéis, enquanto a Espectroscopia no Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR-ATR) confirmou a presença e interação dos precursores na matriz polimérica. A Análise Termogravimétrica (TGA) indicou que os hidrogéis possuem resistência térmica superior a 240°C, sendo adequados para aplicações biomédicas. Os ensaios reológicos mostraram que os hidrogéis possuem comportamento pseudoplástico, com tensão de escoamento em torno de 400 Pa e módulo elástico (G') superior ao módulo viscoso (G"), demonstrando sua adequação para impressão 3D. Os testes de liberação controlada do fármaco diclofenaco de sódio indicaram que o modelo de Korsmeyer-Peppas foi o que melhor descreveu a cinética de liberação, caracterizando um mecanismo pseudo-Fickiano. Além disso, os ensaios de citotoxicidade e mutagenicidade demonstraram que os hidrogéis são atóxicos. Os resultados obtidos evidenciam o elevado potencial dos hidrogéis desenvolvidos para aplicações biomédicas. A partir da utilização da impressão 3D, foi possível fabricar estruturas funcionalizadas para a liberação controlada de fármacos, com perspectivas promissoras de aplicação em curativos avançados e scaffolds para engenharia tecidual, delineando novas possibilidades de pesquisa e inovação no campo da engenharia de biomateriais. Palavras-chave: Impressão 3D; materiais biocompatíveis; fármacos; materiais biomédicos

Hydrogels are promising materials for biomedical applications due to their biocompatibility and ability to incorporate drugs. In this study, hydrogels based on bacterial cellulose nanocrystals (BCNC), silk fibroin (FB), gellan gum (GG), and magnetic nanoparticles (NPM) were developed with the aim of evaluating their physicochemical, structural, and biological properties. The BCNCs were synthesized by acid hydrolysis of bacterial cellulose, and the hydrogels were formulated with different compositions to optimize their properties. The materials were characterized using various techniques. Transmission Electron Microscopy (TEM) confirmed that the BCNCs exhibit a whisker-like morphology, with an average length of 183 nm and an average thickness of 23 nm. Scanning Electron Microscopy (SEM) showed the adhesion of NPMs to the surfaces of the hydrogels, while Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR-ATR) confirmed the presence and interaction of the precursors within the polymeric matrix. Thermogravimetric Analysis (TGA) indicated that the hydrogels exhibit thermal stability above 240°C, making them suitable for biomedical applications. Rheological tests showed that the hydrogels exhibit pseudoplastic behavior, with a yield stress of around 400 Pa and an elastic modulus (G') higher than the viscous modulus (G"), demonstrating their suitability for 3D printing. The controlled drug release tests using sodium diclofenac indicated that the Korsmeyer-Peppas model best described the release kinetics, characterizing a pseudo-Fickian mechanism. Furthermore, cytotoxicity and mutagenicity assays demonstrated that the hydrogels did not show toxic effects, confirming their biocompatibility. The results obtained highlight the high potential of the developed hydrogels for biomedical applications. Through the use of 3D printing, it was possible to fabricate functionalized structures for controlled drug delivery, with promising prospects for application in advanced wound dressings and scaffolds for tissue engineering, outlining new opportunities for research and innovation in the field of biomaterials engineering. Keywords: hydrogels; 3D printing; biocompatibility, drug release, biomedical