Fabricação de scaffolds de alginato/amido/bentonita para regeneração óssea por impressão 3D

Abstract

O campo da engenharia tecidual é considerado atualmente a maneira mais promissora de reparar defeitos ósseos críticos. Geralmente, utiliza-se scaffolds, estruturas que oferecem sustentação para proliferação celular. A bioimpressão por extrusão é um método rápido, de relativo baixo custo e escalonável para a fabricação de scaffolds destinados à regeneração óssea. Entre os materiais mais utilizados encontra-se o alginato, um polímero natural, biocompatível e de baixo custo que, ao entrar em contato com íons bivalentes e trivalentes, passa por um processo de reticulação. Entretanto, scaffolds fabricados por soluções compostas somente de alginato apresentam pouca adesão celular e propriedades mecânicas inadequadas. O amido é um polímero natural, acessível, altamente biocompatível e hidrofílico, a sua combinação com alginato tem o potencial para promover melhorias nas propriedades mecânicas e adesão celular dos scaffolds. A montmorilonita é um argilomineral de origem natural componente principal da argila bentonita, com uma grande área específica, podendo alterar as propriedades mecânicas e reológicas dos scaffolds onde estão inseridas. Neste estudo, foram desenvolvidas biotintas contendo alginato/amido e adicionando diferentes teores de bentonita para a produção de scaffolds por meio da bioimpressão por extrusão. Os scaffolds resultantes foram avaliados de acordo com suas propriedades mecânicas, taxa de degradação e biocompatibilidade. A solução com 4% m/v de argila resultou em filamentos com menor espalhamento e maior viscosidade aparente, consequentemente imprimindo scaffolds com maior fidelidade ao modelo computacional gerado. A presença do amido tornou o processo de degradação dos scaffolds uniforme e aumentou a hidrofilicidade do material. A presença da argila, por sua vez, possuiu um efeito positivo nas propriedades mecânicas do scaffold a 37 °C. Por meio da mistura dos três materiais foi possível a obtenção de scaffolds de até 20 camadas com propriedades distintas.

Abstract: The field of tissue engineering is currently considered one of the more promising ways to repair critical bone defects. In this context, scaffolds, a structure that offers support for cell proliferation, are widely used. Extrusion bioprinting is a fast, relatively low-cost and scalable method for manufacturing scaffolds for bone regeneration. Alginate is one of the most used materials. It is a natural, biocompatible, and low-cost polymer that cross-links when in contact with bivalent and trivalent ions. However, scaffolds manufactured using inks composed only by alginate present poor cell adhesion and poor mechanical properties. Starch is a natural, easily available, highly biocompatible and hydrophilic polymer. Its combination with alginate is a promising strategy to significantly improve the mechanical proprieties of the scaffold and cell adhesion. Montmorillonite is a naturally occurring clay mineral and the principal component of bentonite clay, with a large specific surface area that can improve the mechanical and rheological properties of the scaffold. In this study, bioinks containing alginate/starch with different percentages of bentonite were developed for the production of scaffolds through extrusion bioprinting. The resulting scaffolds were evaluated according to their mechanical properties, degradation rate, and biocompatibility. The 4% w/v clay solution produced filaments with less spreading and greater visual viscosity, consequently printing scaffolds with superior shape-fidelity to the generated computational model. The presence of starch made the scaffold biodegradation process regular and increased the material's hydrophilicity. Moreover, the clay had a positive effect on the scaffold's mechanical properties at 37 °C. By combining the three materials, it was possible to obtain 20 layers scaffolds with distinct properties.