Additive manufacturing of 3D porous alkali-free bioactive glass scaffolds for healthcare applications

Abstract

Tissue Engineering is a multidisciplinary field of study based on the techniques, methods and knowledge of biology, medicine and engineering. The aim is to produce artificial devices able to act as temporary substitutes of damaged tissues: the structure realized must serve as supports for cell attachment and proliferation as well as the production of extracellular matrix, ideally until the same device degrades. The great issues related to this approach are therefore implementing a suitable scaffold material produced with an adequate technique in order to satisfy the above requirements. In this Thesis project, an alkali-free bioactive glass composition in the binary system of Diopside-Tricalcium Phosphate that has already shown promising properties for tissue engineering and bone regeneration was selected. The robocasting technique was adopted for manufacturing 3D porous scaffolds with adequate structures and porosities designed by CAD. The work included different steps such as: (i) preparation and characterization of glass powders with different particle size distributions to enhance the packing ability; (ii) preparation of concentrated suspensions and investigate the dependence of their rheological properties on solid loading and the content of CMC selected as the single processing additive; (iii) production of the scaffold with different porosity; (iv) characterization of the printed structures before and after sintering process. The results obtained demonstrated that a 1:1 mixture of glass powders having mean particle diameters of 1 m and 45 m enables preparing suitable suspensions by playing with the contents of CMC and solid loading. The printed scaffolds present well-defined geometry and good shape retention. The work carried out could be considered as a very promising starting point for further studies aiming at obtaining further improvements

A Engenharia de tecidos é um campo de estudo multidisciplinar baseado nas técnicas, métodos e conhecimentos derivados das áreas da biologia, medicina e engenharia. O objetivo é produzir dispositivos artificiais capazes de atuar como substitutos temporários de tecidos danificados: a estrutura obtida deve servir de suporte para a fixação e proliferação de células, bem como para a produção de matriz extracelular, idealmente até o mesmo dispositivo se degradar. Os grandes problemas relacionados a esta abordagem requerem a selecção adequada de um material e de uma técnica de processamento das estruturas de suporte. Neste projeto de tese foi selecionada uma composição de vidro bioativo isento de álcalis no sistema binário de Diópsido - Fostato Tricálcico que já mostrou propriedades promissoras para engenharia de tecidos e regeneração óssea. A técnica de robocasting foi adotada para fabricação de andaimes porosos 3D com estruturas e porosidades projetadas por CAD e adequados para as funções almejadas. O trabalho incluiu diferentes etapas, tais como: (i) preparação e caracterização de pós de vidro com diferentes distribuições granulométricas como forma de aumentar a capacidade de empacotamento; (ii) preparação de suspensões concentradas e estudo da dependência das suas propriedades reológicas do teor de sólidos e da quantidade adicionada de CMC, selecionado como único aditivo de processamento; (iii) produção dos scaffolds com diferentes porosidades; (iv) caracterização das estruturas impressas antes e após o processo de sinterização. Os resultados obtidos demonstraram que uma mistura 1:1 de pós de vidro com diâmetros médios de partículas de 1 m e de 4 a 5 m permite a preparação de suspensões adequadas, alterando com o conteúdo de CMC e com a carga de sólidos. Os scaffolds impressos apresentam geometrias bem definidas e boa retenção da forma. O trabalho realizado pode ser considerado um ponto de partida muito interessante para estudos futuros com vista a obter melhorias adicionais