Design and processing of porous scaffolds based on calcium phosphates by robocasting for bone tissue engineering

Abstract

A presente dissertação teve como foco principal o desenvolvimento de estruturas 3D porosas (scaffolds) para regeneração óssea por robocasting. Esta técnica de fabrico aditivo permite a produção de scaffolds com morfologia e estrutura predefinidas e sem a necessidade de maquinagem subsequente, podendo ser usada para o fabrico de implantes personalizados com estrutura interna semelhante à do osso que se pretende substituir. Como materiais de partida, foram utilizados pós de fosfatos de cálcio bifásicos (hidroxiapatite + β-fosfato tricálcico) não dopados, e dopados com diferentes iões (Sr, Ag, Cu, Mg e Zn), obtidos por precipitação em meio aquoso. A substituição parcial de iões Ca pelos iões dopantes induziu alterações na composição de fases cristalinas e resultou em partículas com características morfológicas distintas e em materiais com desempenhos biológicos diferentes. Os pós foram dispersos em meio aquoso com a ajuda de aditivos de processamento adequados (um dispersante e um ligante) de modo a obter suspensões com elevada concentração de sólidos, requisito essencial para o fabrico de componentes por robocasting. O tamanho e a morfologia das partículas e a concentração dos aditivos de processamento desempenharam os papéis cruciais no comportamento reológico das suspensões. A adição de agente floculante modificou drasticamente as propriedades reológicas do sistema e permitiu a obtenção de pastas com comportamento viscoelástico adequado para o processo de extrusão. Os scaffolds com diferentes tamanhos de poro foram produzidos pela deposição de um filamento com 410 μm de diâmetro. A resistência à compressão dos scaffolds sinterizados a 1100°C foi comparável ou mesmo superior à do osso esponjoso. Scaffolds com diferentes tamanhos de poro (120-500 μm) foram testados in vitro usando células estaminais mesenquimais humanas (hMSCs). Pretendeu-se avaliar a influência do tamanho dos poros na adesão celular inicial, na atividade metabólica e no potencial osteogénico. Os resultados obtidos mostraram que os poros com maior dimensão proporcionam condições favoráveis para a diferenciação osteogénica das hMSCs. Além disso, os fosfatos de cálcio co-dopados com Sr e Zn melhoraram o desempenho biológico, incluindo adesão, atividade metabólica e proliferação das hMSC. A última parte da tese foi dedicada à preparação de scaffolds não sinterizados incorporando um fármaco (levofloxacina) de forma a obter componentes com capacidade de regeneração óssea e de tratamento local de infeções. A pasta utilizada foi obtida através da dispersão dos pós de CaP numa solução de quitosano na presença do fármaco e de um agente de reticulação (genipin). Os scaffolds 3D à base de fosfatos de cálcio produzidos por robocasting no âmbito desta tese revelaram-se muito promissores para aplicações na engenharia de tecidos, particularmente regeneração de tecido ósseo e administração de fármacos.

The main focus of this thesis was the development of novel 3D porous scaffolds for bone regeneration by robocasting. This additive manufacturing technique allows the production of scaffolds with predefined morphology and structure without the need for subsequent machining and can be used for the manufacture of customized implants with an internal structure similar to that of the bone to be replaced. Biphasic calcium phosphates (hydroxyapatite + β-tricalcium phosphate), undoped and doped (with Sr, Ag, Cu, Mg and Zn), obtained through aqueous precipitation process were used as starting powders. The partial substitution of Ca ions by doping ions induced changes in the crystalline phase assemblages and resulted in particles with distinct morphological characteristics and in materials with different biological outcomes. The powders were dispersed in aqueous medium with the aid of suitable processing additives (a dispersant and a binder) in order to obtain suspensions with high solids loading, an essential requirement for the manufacture of components by robocasting. The size and morphology of the particles and the concentration of the processing additives played crucial roles in the rheological behaviour of the suspensions. The addition of a flocculating agent drastically modified the rheological properties of the systems and allowed obtaining pastes with viscoelastic behaviour suitable for the extrusion process. The scaffolds with different pore sizes were produced by the controlled deposition of filaments with 410 μm in diameter. The compressive strength of scaffolds sintered at 1100 ° C was comparable or even superior to that that of spongy bone. Scaffolds with different pore sizes (120-500 μm) were tested in vitro using human mesenchymal stem cells (hMSCs). The aim was to evaluate the influence of pore size on initial cell adhesion, metabolic activity and osteogenic potential. The results showed that larger pores provide favourable conditions for osteogenic differentiation of hMSCs. In addition, calcium phosphates codoped with Sr and Zn improved the biological performance, including adhesion, metabolic activity and proliferation of hMSC. The last part of the thesis was devoted to the preparation of sintering-free scaffolds incorporating a drug (levofloxacin) in order to obtain components with capacity for bone regeneration and local treatment of infections. The paste used was obtained by dispersing the CaP powders in a solution of chitosan in the presence of the drug and a crosslinking agent (genipin). The 3D scaffolds produced by robocasting in the frame of this thesis program revealed to be very promising for tissue engineering applications, particularly bone tissue regeneration and drug delivery.