Manufatura aditiva de hidrogéis de pluronic F-127 contendo biovidros bioativos sintetizados por método sol-gel e funcionalizados com nanopartículas de nióbio

Abstract

A engenharia de tecidos ósseos tem buscado materiais multifuncionais que aliem bioatividade e reforço mecânico, destacando-se o uso do nióbio como um elemento estratégico e promissor para a funcionalização de biomateriais. Neste contexto, o biovidro 58S (60% SiO₂ – 36% CaO – 4% P₂O₅ em fração molar), sintetizado pelo método sol-gel, destaca-se por sua elevada bioatividade e capacidade de induzir a formação de hidroxiapatita. O presente trabalho descreve o desenvolvimento e a caracterização de scaffolds nanocompósitos produzidos por Manufatura Aditiva (MA) via Robocasting. Partículas de biovidro 58S foram incorporadas em hidrogéis termossensíveis de Pluronic F-127 a 30% (m/v) para a formulação de tintas (inks) com alta carga sólida (40% em volume). Investigou-se o efeito de aditivos como dispersantes, espessantes e lubrificantes sobre o comportamento reológico, visando otimizar a extrudabilidade e a fidelidade geométrica das estruturas impressas. As tintas foram caracterizadas por reometria rotacional e oscilatória, determinando-se o comportamento pseudoplástico e os módulos de armazenamento (G') e perda (G''). Após a impressão 3D, os scaffolds foram calcinados a 600 ºC e sinterizados a 1250 ºC por 2 h para consolidação da matriz cerâmica. Posteriormente, as estruturas foram funcionalizadas com nanopartículas de nióbio (NbNPs) de alta pureza produzidas por ablação a laser em líquido (PLAL). O biovidro foi caracterizado por granulometria a laser, picnometria, FRX, DRX e MEV, enquanto as NbNPs foram analisadas por MET. Os resultados mostraram NbNPs com morfologia quase esférica e distribuição bimodal de tamanhos. Os scaffolds finais apresentaram porosidade geométrica de 63,50% (atingindo 77,47% via análise de imagem), macroporos interconectados com média de 222,09 μm e resistência à compressão de 11,38 MPa. Tais propriedades posicionam o material no limite superior da janela biomecânica do osso trabecular, evidenciando seu elevado potencial para aplicação como substitutos ósseos multifuncionais.

Bone tissue engineering has sought multifunctional materials that combine bioactivity and mechanical reinforcement, highlighting the use of niobium as a strategic and promising element for the functionalization of biomaterials. In this context, 58S bioglass (60% SiO2 – 36% CaO – 4% P2O5 in molar fraction), synthesized by the sol-gel method, stands out for its high bioactivity and ability to induce hydroxyapatite formation. This study describes the development and characterization of nanocomposite scaffolds produced by Additive Manufacturing (AM) via Robocasting. 58S bioglass particles were incorporated into 30% (w/v) Pluronic F-127 thermosensitive hydrogels to formulate inks with high solid loading (40 vol.%). The effect of additives such as dispersants, thickeners, and lubricants on the rheological behavior was investigated to optimize extrudability and the shape fidelity of the printed structures. The inks were characterized by rotational and oscillatory rheometry, determining the shear-thinning behavior and the storage (G') and loss (G'') moduli. After 3D printing, the scaffolds were calcined at 600 ºC and sintered at 1250 ºC for 2 h to consolidate the ceramic matrix. Subsequently, the structures were functionalized with high-purity niobium nanoparticles (NbNPs) produced by pulsed laser ablation in liquids (PLAL). The bioglass was characterized by laser diffraction, pycnometry, XRF, XRD, and SEM, while the NbNPs were analyzed by TEM. The results showed NbNPs with a quasi-spherical morphology and a bimodal size distribution. The final scaffolds exhibited a geometric porosity of 63.50% (reaching 77.47% via image analysis), interconnected macropores averaging 222.09 μm, and a compressive strength of 11.38 MPa. These properties position the material at the upper limit of the biomechanical window for trabecular bone, highlighting its high potential for application as multifunctional bone substitutes.