Desenvolvimento e caracterização de hidrogéis produzidos por impressão 3D adaptada para biomateriais com potencial aplicação na área da saúde

A busca por maior longevidade e qualidade de vida impulsiona o desenvolvimento de alternativas para o reparo de tecidos vivos danificados. Nesse contexto, destacam-se os biomateriais, especialmente os hidrogéis, polímeros hidrofílicos obtidos a partir de fontes naturais e renováveis. Estes possuem aspectos cruciais para o segmento em questão, essencialmente quando combinados a reforços poliméricos ou de outras classes de materiais, procedendo na formação de compósitos capazes de serem utilizados na engenharia de tecidos. O trabalho almejou a confecção de scaffolds, baseados em uma matriz de alginato de sódio (AS) contendo hidroxiapatita (HA), vislumbrando aplicabilidade na regeneração de tecidos, através da impressão 3D. Este é um processo favorável à fabricação de matrizes teciduais. A priori, foram aperfeiçoados os fundamentos de impressão, bem como a concentração de AS e de HA, chegando em ambas as concentrações otimizadas de 10% (m/v). Depois da padronização, os scaffolds foram produzidos utilizando uma impressora 3D, cujos parâmetros de impressão foram bem definidos. Após as impressões, tornou-se necessária a inserção, por 24h, das amostras à temperatura ambiente, em recipientes contendo 1,0% (m/v) de cloretos de Ca²⁺, Fe²⁺, Mg²⁺ ou Cu²⁺, apresentando boa reprodutibilidade quando imersos em cloreto de cálcio. Em relação às propriedades hidrofílicas, verificou-se que a matriz de alginato de cálcio, em água deionizada e em diferentes valores de pH (2, 4, 5, 6, 8 e 10), sofre reticulação física por íons Ca²⁺ e HA, sendo dependente do pH, atingindo o estado de equilíbrio em apenas 30 minutos (Q ≈ 112 % para os scaffolds de alginato de cálcio puro e Q ≈ 53 % para os scaffolds contendo HA). Ademais, as observações espectroscópicas confirmam a incorporação de HA na matriz polimérica. Em relação às propriedades mecânicas, a incorporação de HA promoveu um discreto aumento na rigidez, resistência e tenacidade (aproximadamente 0,3 para 0,5 MJ/m³) e módulo de Young (de aproximadamente 0,014 para 0,020 MPa) e da tensão de ruptura (de 0,06 para 0,08 MPa) dos scaffolds. Além de redução da elongação máxima na ruptura (cerca de 470 para 410%). As técnicas de DRX e MEV-EDX confirmaram a incorporação da HA, evidenciada pelo aumento da cristalinidade dos compósitos, mudança das propriedades morfológicas superficiais e presença de fósforo (P). Os resultados indicam que os scaffolds estudados têm potencialidade de aplicação em regeneração óssea.

Resumo (inglês)

The pursuit of greater longevity and improved quality of life has driven the development of innovative strategies for repairing damaged living tissues. In this context, biomaterials, particularly hydrogels, have attracted significant attention due to their hydrophilic nature and their potential to be derived from natural and renewable sources. These have crucial aspects for this segment, essentially when combined with polymeric reinforcements or other classes of materials, proceeding in the formation of composites capable of being used in tissue engineering. This work aimed at the fabrication of scaffolds, based on a sodium alginate (AS) matrix containing hydroxyapatite (HA), envisioning applicability in tissue regeneration through 3D printing. This is a favorable process for the fabrication of tissue matrices. Initially, the fundamentals of printing were improved, as well as the concentration of AS and HA, reaching optimized concentrations of 10% (w/v) for both. After standardization, the scaffolds were produced using a 3D printer, whose printing parameters were well defined. After printing, it was necessary to immerse the samples at room temperature for 24 hours in containers containing 1.0% (w/v) of Ca²⁺, Fe²⁺, Mg²⁺, or Cu²⁺ chlorides, showing good reproducibility when immersed in calcium chloride. Regarding hydrophilic properties, it was found that the calcium alginate matrix, in deionized water and at different pH values (2, 4, 5, 6, 8, and 10), undergoes physical crosslinking by Ca²⁺ and HA ions, being pH-dependent, reaching equilibrium in only 30 minutes (Q ≈ 112 % for pure calcium alginate scaffolds and Q ≈ 53 % for scaffolds with HA). Furthermore, spectroscopic observations confirm the incorporation of HA into the AS matrix. The incorporation of HA promoted a slight increase in the stiffness, strength, and toughness (from 0.3 to 0.5 MJ/m³) and Young's modulus (approximately 0.014 to 0.02 MPa) and tensile strength (around 0.06 to 0.08 MPa), as well as a reduction in deformation (approximately 470 to 410%) of the scaffolds. XRD and SEM-EDX techniques confirmed the incorporation of HA, evidenced by the increased crystallinity of the composites, alteration of the surface morphological properties and by the presence of phosphorus (P). The results indicate that the scaffolds studied have potential applications in bone regeneration.

Palavras-chave

Alginato Bioimpressão Compósitos Hidroxiapatita Regeneração óssea

Idioma

Português

Citação

PRADO, Artur Verderosi do. Desenvolvimento e caracterização de hidrogéis produzidos por impressão 3D adaptada para biomateriais com potencial aplicação na área da saúde. Orientador: Fauze Ahmad Aouada. 2026. Trabalho de conclusão de curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Estadual Paulista (UNESP), Faculdade de Engenharia, Ilha Solteira, 2026