Impressão 3D de compósitos à base de nanocristais de celulose para construir estruturas biomiméticas robustas para engenharia de tecido ósseo

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 21244 (2022) Citar este artigo

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Os nanocristais de celulose (CNC) estão atraindo cada vez mais atenção nas áreas de biomedicina e saúde devido à sua durabilidade, biocompatibilidade, biodegradabilidade e excelentes propriedades mecânicas. Aqui, fabricamos usando tecnologia de modelagem de deposição fundida andaimes compostos 3D de ácido polilático (PLA) e CNC extraídos de Ficus thonningii. A microscopia eletrônica de varredura revelou que os andaimes impressos exibem poros interconectados com um tamanho médio estimado de poro de aproximadamente 400 µm. A incorporação de 3% (p/p) de CNC no compósito melhorou as propriedades mecânicas do PLA (o módulo de Young aumentou em ~ 30%) e a molhabilidade (o ângulo de contato com a água diminuiu em ~ 17%). O processo de mineralização de scaffolds impressos utilizando fluido corporal simulado foi validado e a nucleação de hidroxiapatita confirmada. Além disso, os testes de citocompatibilidade revelaram que os andaimes de PLA baseados em PLA e CNC não são tóxicos e são compatíveis com células ósseas. Nosso projeto, baseado na rápida impressão 3D de compósitos PLA/CNC, combina a capacidade de controlar a arquitetura e fornecer propriedades mecânicas e biológicas aprimoradas dos andaimes, o que abre perspectivas para aplicações em engenharia de tecidos ósseos e em medicina regenerativa.

O desenvolvimento de materiais para engenharia óssea continua a ser um desafio devido à complexidade da estrutura óssea natural e do ambiente biomecânico. Para reparar tecido ósseo danificado, autoenxertos de diferentes ossos são colhidos e usados ​​para substituir ossos perdidos. Aloenxertos menos disponíveis são desanimadores1,2,3, e junções artificiais usadas como implantes muitas vezes precisam ser removidas após a cicatrização4. Recentemente, surgiram novas estratégias de reparação óssea, incluindo a medicina regenerativa assistida por andaimes, utilizada para promover o crescimento ósseo5.

Uma estrutura óssea ideal deve ser uma matriz tridimensional capaz de imitar a complexa composição e estrutura do osso para fixação e proliferação celular6. Portanto, requer alta biocompatibilidade, biodegradabilidade, não toxicidade, excelentes propriedades mecânicas e arquitetura adequada em termos de porosidade e tamanho de poros para integração com o tecido nativo do hospedeiro7. A composição química e as características físico-químicas do andaime, influenciando diretamente o desempenho mecânico e biológico8, são, portanto, parâmetros importantes a serem estudados.

Biopolímeros sintéticos têm sido amplamente utilizados na engenharia de tecidos ósseos devido à sua biocompatibilidade e à sua capacidade de controlar as propriedades físico-químicas do andaime. São constituídos por poliésteres alifáticos como ácido poliglicólico (PGA), policaprolactona (PCL) e ácido polilático (PLA)9. Infelizmente, eles são bastante frágeis e geralmente perdem a sua resistência devido à rápida degradação in vivo. Além disso, a sua natureza hidrofóbica dificulta a fixação e proliferação de células ósseas10. Para superar estas limitações, os scaffolds baseados em polímeros sintéticos, nomeadamente PLA ou PCL, podem ser melhorados através da incorporação de reforços de polímeros naturais como celulose11,12,13,14,15, alginato16, gelatina17, quitosano18,19 ou queratina20 conhecidos pelas suas características interessantes.

Várias técnicas, incluindo fundição de solvente e lixiviação de partículas, liofilização de emulsão, separação de fases ou eletrofiação21,22,23, são usadas para desenvolver estruturas para engenharia de tecidos duros. Porém, não permitem um controle eficiente da morfologia e da porosidade.

A manufatura aditiva provou ser uma técnica de escolha para projetar e preparar materiais biomiméticos de reparo ósseo. As arquiteturas de andaimes controladas por 3D afetam significativamente as propriedades mecânicas, bem como a adesão e proliferação de células ósseas2,24,25,26,27,28. Portanto, diversos trabalhos têm se concentrado no desenvolvimento de andaimes impressos em 3D utilizando diversas tecnologias, como estereolitogafia, plotagem 3D, sinterização seletiva a laser, bioimpressão e modelagem por deposição fundida (FDM). FDM é a tecnologia de fabricação aditiva mais amplamente utilizada. É uma técnica simples, rápida e de baixo custo que oferece grandes possibilidades de manuseio de polímeros.