Biofabrication of biomimetic three-dimensional structures for tissue engineering

Abstract

One of the greatest challenges associated with tissue engineering is the development of biomimetic three-dimensional structures that closely emulate the complexity and functionality of native tissues. The main objective of this work was the biofabrication of biomimetic three-dimensional structures for tissue engineering, aiming to achieve enhanced emulation of native tissue complexity and functionality, by the addition of different fractions of carbon dots. In an initial phase this work consists of the state of the art related to tissue engineering, biomaterials and scaffolds. Research was also carried out on biofabrication and its main steps and the extrusion-based bioprinting process was described. In another phase, the experimental plan was carried out, containing the materials and methods used to achieve the obtained results, such as compressive tests and 3D printing methods. Compression tests were carried out on 15 types of hydrogels composed of ColMA, CDs, and GQDs and the influence of their addition to the hydrogels was studied. It was found that the viscosity of the prepared solutions increased linearly with increasing ColMA concentration. For the same ColMA concentration, the hydrogels composed of ColMA and CDs, as the CDs concentration increased, the Young’s modulus increased. The addition of GQDs did not benefit all hydrogels, as is the case with hydrogels with a concentration of 1% ColMA, causing a decrease in Young’s modulus. 3D printing depends on several parameters such as ink viscosity, feed rate, printing pressure, needle diameter. If the feed rate is too slow, an excessive amount of material is pushed out, leading to the possibility of printing undefined structures that lack microarchitecture. On the other hand, if the feed rate is too high, there may not be enough material extruded from the nozzle, resulting in the inability to obtain any printed structures. The results obtained prove that the addition of 5% CDs can be beneficial for 3D printing, obtaining filaments with excellent uniformity, well-defined lines and angles, and good filament width.

Um dos maiores desafios associados à engenharia de tecidos é o desenvolvimento de estruturas tridimensionais biomiméticas que reproduzam a complexidade e a funcionalidade dos tecidos nativos. O principal objetivo deste trabalho foi a biofabricação de estruturas tridimensionais biomiméticas para engenharia de tecidos, com objetivo de retratar a complexidade e funcionalidade do tecido nativo, através da adição de diferentes rácios de carbon dots. Numa fase inicial, este trabalho consiste no estado da arte relacionado com engenharia de tecidos, biomateriais e scaffolds. Também foram realizadas pesquisas sobre biofabricação e suas principais etapas, e foi descrito o processo de bioimpressão por extrusão. Numa outra fase, foi realizado o plano experimental, contendo os materiais e métodos utilizados para alcançar os resultados obtidos, como ensaios de compressão e métodos de impressão 3D. Foram realizados ensaios de compressão em 15 tipos de hidrogéis compostos por ColMA, CDs e GQDs, e a influência da sua adição aos hidrogéis foi estudada. Verificou-se que a viscosidade das soluções preparadas aumentou linearmente com o aumento da concentração de ColMA. Para a mesma concentração de ColMA, nos hidrogéis compostos por ColMA e CDs, à medida que a concentração de CDs aumentava, o módulo de Young aumentava. A adição de GQDs não beneficiou todos os hidrogéis, como é o caso dos hidrogéis com concentração de 1% ColMA, causando uma diminuição no módulo de Young. A impressão 3D depende de vários parâmetros, como a viscosidade da tinta, velocidade de impressão, pressão de impressão, e diâmetro da agulha. Se a velocidade de impressão for muito lenta, é extrudida uma quantidade muito elevada de material, levando à impressão de estruturas indefinidas e sem microarquitetura. Por outro lado, se a velocidade de impressão for muito alta, o material extrudido pode ser insuficente, resultando na impossibilidade de obter quaisquer filamentos. Os resultados obtidos comprovam que a adição de 5% de CDs pode ser benéfica para impressão 3D, obtendo-se filamentos com excelente uniformidade, linhas e ângulos bem definidos, e com boa largura.