Impressão 3D de scaffolds de alginato/hiodroxiapatita para aplicação em regeneração óssea

Abstract

A busca por longevidade aliada à qualidade de vida tem gerado cada vez mais a necessidade de alternativas para reparação de tecidos vivos, vítimas de traumas ou patogenias. Os biomateriais voltados para regeneração óssea sempre aparecem como destaque devido à alta demanda. Com crescente interesse surgem os hidrogéis, sendo estes definidos como polímeros altamente hidrofílicos que, quando obtidos por fontes naturais, possuem características necessárias para essa área, principalmente quando combinados com reforços de materiais poliméricos ou de outras classes. Isto resulta na produção de compósitos que são promissores para o uso na engenharia de tecidos. Este trabalho buscou a fabricação de scaffolds a partir de um hidrogel composto por uma matriz de alginato de sódio com reforços de hidroxiapatita e reticulados com cloreto de cálcio, visando aplicação em regeneração de tecidos ósseos. Para a fabricação dos scaffolds foi utilizada bioimpressão 3D através de uma impressora de filamentos modificada, método eficiente e acessível. Inicialmente, foram otimizados todos os parâmetros de impressão, assim como a concentração de alginato de sódio. A solução de alginato foi preparada dissolvendo alginato de sódio a uma concentração de 10 % (m/v) em água destilada a temperatura ambiente. A esta solução foi então adicionada hidroxiapatita nas concentrações de 2,5, 5,0 % e 10,0 % (m/v). Após a homogeneização, os scaffolds foram fabricados utilizando uma bioimpressora 3D. Os modelos foram projetados em formato cilíndrico, com diâmetro de 20 mm, altura de camada de 0,2 mm, preenchimento interno de 20 % e com padrão de preenchimento “hexagonal”. Após as impressões, as amostras foram inseridas, por 24 horas a temperatura ambiente, em um recipiente contendo solução de 1,0% (m/v) de cloreto de cálcio. Os scaffolds foram então caracterizados de acordo com as concentrações de hidroxiapatita e características morfológicas, propriedades hidrofílicas, espectroscópicas, térmicas e em relação à citotoxicidade e viabilidade celular. Os scaffolds apresentaram boa reprodutibilidade em suas características morfológicas, propriedades hidrofílica e térmica compatíveis com materiais bioimpressos em 3D. As análises espectroscópicas confirmam a formação de hidrogéis e a incorporação de hidroxiapatita na matriz de alginato e resultados preliminares mostraram que os scaffolds não apresentam citotoxicidade para células de linhagem canina E20 com viabilidade celular acima de 50%, o que indica que esses biomateriais não são citotóxicos e os scaffolds auxiliam na proliferação celular.

The search for longevity combined with the quality of life has increasingly generated the need for alternatives to repair living tissues, victims of trauma, or pathogens. Biomaterials for bone regeneration always appear in the spotlight due to high demand. With increasing interest arise hydrogels, defined as highly hydrophilic polymers with necessary characteristics in this area, especially when combined with other materials. This results in the production of composites that are promising for use in tissue engineering. This work aimed to manufacture scaffolds from a hydrogel composed of a sodium alginate matrix with hydroxyapatite reinforcements and cross-linked with calcium chloride, aiming at the application in bone tissue regeneration. For the manufacture of scaffolds, 3D bioprinting was employed using a modified filament printer, an efficient and accessible method. Initially, all printing parameters and the concentration of sodium alginate were optimized. The alginate solution was prepared by dissolving sodium alginate at a concentration of 10% (w/v) in distilled water at room temperature. To this solution, it was then added hydroxyapatite at concentrations of 2.5 and 5.0% (w/v). After homogenization, the scaffolds were fabricated using a 3D bioprinter. The models were designed in a cylindrical shape, with a diameter of 25mm and a thickness of 1.5mm, an internal filling of 20%, and a “hexagonal” filling pattern. After the impressions, the samples were placed, for 24 hours at room temperature, in a container containing a 1.0% (w/v) solution of calcium chloride. The scaffolds were then characterized according to hydroxyapatite concentrations and morphological characteristics, hydrophilic, spectroscopic, thermal properties and in relation to cytotoxicity and cell viability. These scaffolds present good reproducibility in their morphological characteristics, hydrophilic properties were compatible with 3D bioprinted scaffolds, as well as thermal analysis. The spectroscopic analyzes confirmed the formation of hydrogels and the incorporation of hydroxyapatite in the alginate matrix and preliminary results showed that the scaffolds did not show cytotoxicity for cells of the E20 canine lineage with cell viability above 50%. These results indicate that these biomaterials are not cytotoxic, and the scaffolds help in cell proliferation.