Impressão 3D de compósitos baseados em nanocristais de celulose para construir andaimes biomiméticos robustos para engenharia de tecido ósseo

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 21244 (2022) Citar este artigo

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Os nanocristais de celulose (CNC) estão atraindo cada vez mais atenção nos campos da biomedicina e da saúde devido à sua durabilidade, biocompatibilidade, biodegradabilidade e excelentes propriedades mecânicas. Aqui, nós fabricamos usando andaimes compósitos 3D de tecnologia de modelagem de deposição fundida de ácido polilático (PLA) e CNC extraído de Ficus thonningii. A microscopia eletrônica de varredura revelou que os andaimes impressos exibem poros interconectados com um tamanho de poro médio estimado 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 andaimes impressos usando fluido corporal simulado foi validado e a nucleação de hidroxiapatita confirmada. Além disso, os testes de citocompatibilidade revelaram que os scaffolds de PLA e PLA baseados em CNC não são tóxicos e são compatíveis com as células ósseas. Nosso projeto, baseado na impressão 3D rápida 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 na engenharia de tecidos ósseos e na medicina regenerativa.

O desenvolvimento de materiais para engenharia óssea continua sendo um desafio devido à complexidade da estrutura óssea natural e do ambiente biomecânico. Para reparar o tecido ósseo danificado, autoenxertos de diferentes ossos são colhidos e usados ​​para substituir os ossos perdidos. Aloenxertos menos disponíveis são desencorajadores1,2,3, e as junções artificiais usadas como implantes geralmente precisam ser removidas após a cicatrização4. Recentemente, surgiram novas estratégias de reparo ósseo, incluindo a medicina regenerativa assistida por andaimes usada para promover o crescimento ósseo5.

Um andaime ósseo 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 apropriada em termos de porosidade e tamanho dos poros para integração com o tecido hospedeiro nativo7. A composição química e as características físico-químicas do scaffold, influenciando diretamente o desempenho mecânico e biológico8, são, portanto, parâmetros importantes a serem estudados.

Os biopolímeros sintéticos têm sido amplamente utilizados na engenharia de tecidos ósseos devido à sua biocompatibilidade e capacidade de controlar as propriedades físico-químicas do scaffold. São compostos por poliésteres alifáticos como ácido poliglicólico (PGA), policaprolactona (PCL) e ácido polilático (PLA)9. Infelizmente, eles são bastante quebradiços e geralmente perdem sua resistência devido à rápida degradação in vivo. Além disso, sua natureza hidrofóbica dificulta a fixação e proliferação das células ósseas10. Para ultrapassar estas limitações, scaffolds baseados em polímeros sintéticos, nomeadamente PLA ou PCL, podem ser melhorados incorporando reforços poliméricos 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 andaimes para engenharia de tecidos duros. No entanto, não permitem um controle eficiente da morfologia e da porosidade.

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