Scaffolds porosos à base de fosfatos de cálcio para regeneração óssea

Abstract

Graças ao aumento da esperança média de vida do ser humano, a engenharia de tecidos tem sido uma área alvo de enorme investigação. A utilização de estruturas tridimensionais porosas e biodegradáveis, denominadas de scaffolds, como matriz para a adesão e proliferação celular tem sido amplamente investigada. Existem atualmente diversas técnicas para a produção destas estruturas mas o grau de exigência tem vindo a aumentar, existindo ainda lacunas que necessitam ser preenchidas. A técnica de robocasting consiste numa deposição camada a camada de uma pasta coloidal, seguindo um modelo computorizado (CAD) e permite a produção de scaffolds com porosidade tamanho de poro e fração de porosidade controlados, boa reprodutibilidade, e com formas variadas, as quais podem ser idênticas às dos defeitos ósseos a preencher. O presente estudo teve como objetivo produzir scaffolds porosos à base de fosfatos de cálcio através de robocasting. Para tal, foram estudadas duas composições de pós à base de β-TCP, uma pura e outra co-dopada com estrôncio, zinco e manganês. Inicialmente os pós foram sintetizados pelo método de precipitação química por via húmida. Após a síntese, estes foram filtrados, secos, calcinados a 1000ºC e posteriormente moídos até possuírem um tamanho médio de partícula de cerca de 1,5 μm. Os pós foram depois peneirados com uma malha de 40μm e caracterizados. Posteriormente foram preparadas várias suspensões e avaliado o seu comportamento reológico, utilizando Targon 1128 como dispersante, Hidroxipropilmetilcelulose (HPMC) como ligante e polietilenimina (PEI) como agente floculante. Por fim, e escolhida a melhor composição para a formação da pasta, foram produzidos scaffolds com diferentes porosidades, num equipamento de deposição robótica (3D Inks, LLC). Os scaffolds obtidos foram secos à temperatura ambiente durante 48 horas, sinterizados a 1100ºC e posteriormente caracterizados por microscopia eletrónica de varrimento (SEM), avaliação dos tamanhos de poro, porosidade total e testes mecânicos. Ambas as composições estudadas puderam ser transformadas em pastas extrudíveis, mas a pasta da composição pura apresentou uma consistência mais próxima do ideal, tendo originado scaffolds de melhor qualidade em termos de microestrutura e de propriedades mecânicas.

With the increase of the average life expectancy of human beings, tissue engineering became an area of great interest to investigation. The use of porous and biodegradable three-dimensional structures, called scaffolds, as a matrix for cell adhesion and proliferation has been widely investigated. Currently, there are several techniques for producing such structures but with highly demanding requirements and still existing gaps, new developments are still needed. The robocasting technique consists in a layer by layer deposition of a colloidal ink, following a computer model (CAD) which allows the production of scaffolds with controlled pore size and porosity fraction, good reproducibility and various shapes, which may be identical to those of bones defects to be fulfilled. This study aimed to produce porous scaffolds based on calcium phosphates through robocasting. For this, two compositions based on β-TCP powders were evaluated. One consisting of pure β-TCP and another one of β-TCP co-doped with strontium, zinc and manganese. Both types of powders were synthetized by wet-chemical precipitation process at 90ºC, for 2 hours under controlled pH 7. The powders were then filtered, dried and calcined at 1000ºC and finally milled until a mean particle size of 1.5 μm was achieved. The milled powders were passed through 40 μm mesh sieve, characterized by different techniques, and then used to prepare well dispersed suspensions. Targon 1128, hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) and polyethylenimine were used as dispersant, binder and flocculating agent, respectively. The evaluation of the rheological behaviour of the suspensions allowed selecting the optimal concentrations of each processing additive. The as obtained inks were extruded using robotic deposition equipment (3D Inks, LLC) to produce scaffolds with different pore sizes. The green scaffolds were dried at room temperature for 48 hours and then sintered at 1100ºC and thereafter characterized by morphology (SEM), pore size, porosity and mechanical properties. Both investigated compositions could be transformed into extrudable inks, but the ink from pure β-TCP exhibited a consistency closer to the ideal, originating scaffolds with enhanced quality in terms of microstructure and mechanical properties.