Bioglass-based bandages manufactured by tape casting for application in tissue engineering

Abstract

O envelhecimento populacional tem aumentado as doenças relacionadas à idade, como a degeneração óssea e cartilaginosa além de uma maior incidência de fraturas devido a quedas. Esses fatores complicam os procedimentos cirúrgicos em idosos e, assim, aumentam a demanda por novas abordagens terapêuticas. A engenharia de tecidos surge como uma alternativa promissora, buscando desenvolver soluções para o tratamento de lesões, fraturas e doenças degenerativas e melhorar a qualidade de vida dos idosos. Este estudo investigou o desenvolvimento de curativos com vidro bioativo, especificamente o biovidro 45S5, combinado com polímeros naturais como colágeno, gelatina e carboximetilcelulose (CMC), por meio da técnica de colagem de fitas. O biovidro 45S5 é amplamente reconhecido na engenharia de tecidos ósseos por sua capacidade de induzir a formação de hidroxiapatita (HAp), um mineral fundamental na estrutura óssea. Para prolongar a durabilidade e melhorar as propriedades dos curativos, eles foram reticulados com genipina, um agente reticulador natural. A integração com polímeros naturais, que são tanto biodegradáveis quanto bioativos, tem como objetivo desenvolver curativos que imitam a estrutura óssea. Neste contexto, foram explorados as concentrações e os parâmetros de processo ideais para a fabricação dos curativos, utilizando o Design de Experimentos (DoE). As matérias-primas foram caracterizadas em relação à composição química (FRX), tamanho de partícula (DLS), densidade (Picnômetro), área de superfície específica (BET), morfologia (MEV), mineralogia (DRX), grupos funcionais (FTIR) e comportamento térmico (TGA). Adicionalmente, foi analisado como a composição influencia o potencial zeta, as propriedades reológicas das suspensões e as características finais dos curativos, incluindo morfologia (MEV), mineralogia (DRX), grupos funcionais (FTIR), além de propriedades térmicas (TGA), mecânicas e molhabilidade. O processo de tape casting envolveu a dissolução dos polímeros naturais em água deionizada, seguida pela adição do biovidro para homogeneização em agitação magnética a 55 °C por 2 horas. As formulações foram determinadas pelo DoE, variando o percentual de polímero natural na mistura. As suspensões foram conformadas sobre um filme flexível de Mylar® e secas à temperatura ambiente por 72 horas. As amostras resultantes foram caracterizadas para avaliar a incorporação das partículas cerâmicas na matriz polimérica, porosidade, fases cristalinas e não-cristalinas, grupos funcionais, propriedades térmicas, mecânicas e molhabilidade. Entre as formulações desenvolvidas, a amostra BG-10, composta por gelatina, apresentou a morfologia e as propriedades mecânicas mais adequadas para aplicação em curativos. Esta amostra foi selecionada para a reticulação com genipina. A genipina promoveu a formação de ligações cruzadas entre as cadeias poliméricas, conferindo maior estabilidade química, resistência mecânica e hidrofilicidade ao curativo. Os curativos reticulados com genipina foram caracterizados novamente e apresentaram maior flexibilidade e vida útil prolongada. Não houve alterações na cristalinidade, nos grupos funcionais ou nas propriedades térmicas. Os ensaios de degradação realizados em solução de soro fisiológico por 8 semanas mostraram que o material desenvolvido possui potencial para aplicação em engenharia de tecidos. Conclui-se que a técnica de colagem de fitas é eficaz para a produção desses curativos e que o uso de genipina como agente reticulador é uma alternativa sustentável e eficiente, especialmente para curativos compostos por colágeno, gelatina ou suas misturas.

Abstract: Population aging has led to an increase in age-related diseases, such as bone and cartilage degeneration, as well as a higher incidence of fractures due to falls. These factors complicate surgical procedures in the elderly, thus increasing the demand for new therapeutic approaches. Tissue engineering emerges as a promising alternative, aiming to develop solutions for the treatment of injuries, fractures, and degenerative diseases, and to improve the quality of life for the elderly. This study investigated the development of dressings incorporating bioactive glass, specifically 45S5 bioglass, combined with natural polymers such as collagen, gelatin, and carboxymethylcellulose (CMC) using the tape casting technique. The 45S5 bioglass is widely recognized in bone tissue engineering for its ability to induce the formation of hydroxyapatite (HAp), a mineral essential to bone structure. To enhance the durability and properties of the dressings, they were crosslinked with genipin, a natural crosslinking agent. The integration of natural polymers, which are both biodegradable and bioactive, aims to develop dressings that mimic bone structure. In this context, the optimal concentrations and processing parameters for dressing fabrication were explored using Design of Experiments (DoE). The raw materials were characterized in terms of chemical composition (XRF), particle size (DLS), density (pycnometry), specific surface area (BET), morphology (SEM), mineralogy (XRD), functional groups (FTIR), and thermal behavior (TGA). Additionally, the influence of composition on zeta potential, the rheological properties of suspensions, and the final characteristics of the dressings, including morphology (SEM), mineralogy (XRD), functional groups (FTIR), as well as thermal (TGA), mechanical, and wettability properties, was analyzed. The tape casting process involved dissolving the natural polymers in deionized water, followed by the addition of bioglass for homogenization under magnetic stirring at 55 °C for 2 hours. The formulations were determined by DoE, varying the percentage of natural polymer in the mixture. The suspensions were cast onto a flexible Mylar® film and dried at room temperature for 72 hours. The resulting samples were characterized to assess the incorporation of ceramic particles into the polymeric matrix, porosity, crystalline and non-crystalline phases, functional groups, thermal, mechanical, and wettability properties. Among the developed formulations, the BG-10 sample, composed of gelatin, exhibited the most suitable morphology and mechanical properties for use in dressings. This sample was selected for crosslinking with genipin. Genipin promoted the formation of crosslinks between polymer chains, providing greater chemical stability, mechanical strength, and wettability to the dressing. The genipin-crosslinked dressings were re-characterized and exhibited increased flexibility and prolonged lifespan. There were no changes in crystallinity, functional groups, or thermal properties. Degradation tests conducted in saline solution over 8 weeks demonstrated that the developed material has potential for tissue engineering applications. It is concluded that the tape casting technique is effective for producing these dressings and that the use of genipin as a crosslinking agent is a sustainable and efficient alternative, particularly for dressings composed of collagen, gelatin, or their mixtures.