Manufatura aditiva de compósitos de PLA/n-HA por FDM para aplicações em engenharia de tecidos ósseos

Abstract

Atualmente, há uma crescente demanda por biomateriais para aplicação em engenharia de tecidos ósseos, devido ao envelhecimento da população e consequente aumento de casos de doenças como a osteoporose, além de traumas e tumores que ocasionam perda óssea. Neste trabalho, foi utilizada a tecnologia de Fused Deposition Modeling (FDM) para produzir scaffolds a partir de filamentos compósitos de matriz polimérica de ácido polilático (PLA) com carga de nano-hidroxiapatita (n-HA). A n-HA foi caracterizada por microscopia eletrônica de transmissão (MET), microscopia eletrônica de varredura (MEV), difração de raios-X (DRX) com método de Rietveld e análise de tamanho de partícula, a fim de validar suas propriedades como biomaterial. As condições de processamento foram otimizadas com o auxílio de reômetros de torque e rotacional, obtendo compósitos PLA/n-HA que, após moídos e extrudados, possibilitaram a fabricação de filamentos contínuos de 1,75 cm de diâmetro de ácido poliláctico com carga de 10% de n-HA. Estes compósitos foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura (MEV), calorimetria exploratória diferencial (DSC), análise termogravimétrica (TGA), ensaios de tração e análise dinâmico-mecânica (DMA). A partir dos filamentos, foram produzidos scaffolds por FDM e caracterizados pelas técnicas mencionadas anteriormente. Além disso, o processo de degradação foi avaliado em Simulated Body Fluid, (SBF, fluído corpóreo simulado). As micrografias dos compósitos revelaram aglomerados de n-HA; o DSC indicou que a presença da fase cerâmica não influencia a Tg e o grau de cristalinidade do PLA, a adição da n-HA reduziu do Módulo de Young, possivelmente devido aos aglomerados n-HA. Mesmo assim, os scaffolds apresentaram características mecânicas e de degradação compatíveis para aplicação em engenharia de tecidos ósseos.

Abstract: Currently, there is a growing demand for biomaterials for applications in bone tissue engineering due to the aging of the population and the consequent increase in cases of diseases such as osteoporosis, in addition to trauma and tumors that cause bone loss. In this work, Fused Deposition Modeling (FDM) technology was used to produce scaffolds from composite filaments of polylactic acid (PLA) with nano-hydroxyapatite (n-HA) charge. The n-HA was characterized by transmission electron microscopy (MET), scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), Rietveld method and particle size analysis, in order to validate its properties as biomaterial. The processing conditions were optimized with the aid of torque and parallel rheometers, obtaining PLA / n-HA composites, which after milling and extrusion it was possible to manufacture continuous filaments of 1.75 cm diameter of polylactic acid with the addition of 10% of n-HA, which were characterized by scanning electron microscopy (SEM), differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TGA), tensile tests and dynamic-mechanical analysis (DMA). Scaffolds were produced by FDM and characterized by the techniques mentioned above. In addition, the degradation process was evaluated in SBF (Simulated Body Fluid). The micrographs showed agglomerates of hydroxyapatite in the PLA; the DSC indicated that the presence of the ceramic phase does not influence the Tg and the degree of crystallinity of the PLA, the TGA confirmed a low rate of degradation of the PLA, indicating that it is conducive to bone tissue regeneration. The mechanical tests showed that the addition of n-HA reduced Young's Modulus, probably due to the n-HA agglomerates; even so, the scaffolds showed mechanical and degradation characteristics desirable for applications in bone tissue engineering.