Fabrico de estruturas porosas multifuncionais por manufatura aditiva

Abstract

Este trabalho teve como objetivo maioritário o desenvolvimento de scaffolds multifuncionais capazes de (1) preencher um defeito ósseo e contribuir ativamente na regeneração óssea, (2) matar células tumorais residuais por hipertermia quando submetido a um campo magnético e (3) prevenir/ tratar localmente infeções por libertação controlada de um fármaco incorporado. Pós de HA e β-TCP puros e dopados com 6 mol% de iões Ferro (Fe2+/Fe3), sintetizados por precipitação química em meio aquoso e tratados termicamente a 1100ºC, foram caracterizados por DRX, FTIR, distribuição de tamanhos de partícula, SEM, respostas magnética e magneto-térmica. Estes foram incorporados numa solução aquosa de quitosano para obtenção de pastas, e posterior fabrico de scaffolds compósitos usando o robocasting como técnica de manufatura aditiva. A eliminação da etapa de sinterização nos scaffolds permitiu a incorporação de um antibiótico (levofloxacina) nas pastas compósitas à base de pós dopados, de forma a obter substitutos ósseos com capacidade de prevenir infeções por libertação local do fármaco. Foram preparadas pastas com uma percentagem de 34 vol.% e 40 vol.% de sólidos para os pós puros e dopados, respetivamente, adicionando genipina como agente reticulante do quitosano. Com estas pastas foi possível obter scaffolds com diferentes porosidades (300 μm, 500 μm e um gradiente 300-500-300 μm segundo o eixo dos zz), que foram avaliados quanto ao seu desempenho mecânico e microestrutural. As pastas mostraram ter propriedades reológicas adequadas para o processo de impressão por robocasting. Os scaffolds obtidos, puros e dopados com e sem levofloxacina, não mostraram diferenças significativas na microestrutura e apresentaram propriedades mecânicas promissoras para a aplicação pretendida. Os estudos de libertação de fármaco revelaram uma rápida libertação de levofloxacina nas primeiras 6h, em todos os scaffolds de diferentes porosidades. Embora a dopagem com iões ferro tenha dado origem a pós com magnetização entre 0,1-0,5 emu.g-1 a 40000 Oe, estes não apresentaram resposta magneto-térmica. A adição de 1 wt.% de nanopartículas magnéticas à pasta preparada com a mistura dos pós dopados com Ferro, originou um aumento de 7ºC ao fim de 10 min., quando aplicado um campo magnético alternado de 337 kHz. Esta resposta magneto-térmica, embora não seja ideal para aplicação em tratamentos por hipertermia, foi superior quando comparada com a pasta preparada com os pós puros misturados com o mesmo teor de nanopartículas (aumento de 2ºC em 10min.), mostrando a existência de um efeito sinergético entre os pós dopados e as nanopartículas, o que comprova a vantagem dos pós dopados com ião ferro.O trabalho desenvolvido mostra avanços muito positivos no fabrico de scaffolds multifuncionais, com capacidades promissoras para regeneração óssea, tratamento local de infeções e hipertermia.

The main goal of this work was to develop multifunctional scaffolds able to (1) fill a bone defect and actively contribute in bone regeneration, (2) kill residual tumor cells by hyperthermia when submitted to a magnetic field and (3) prevent/treat local infections by controlled release of an incorporated drug. HA and β-TCP pure and 6 mol% iron doped (Fe2+/Fe3+) powders, synthesized by aqueous precipitation process and thermally treated, were characterized by DRX, FTIR, particle size distribution, SEM, as well as, magnetic and magneto-thermal responses. These powders were incorporated into an aqueous solution of chitosan to obtain inks, which were subsequently extruded by robocasting as additive manufacturing technique, to obtain composite scaffolds. The elimination of the sintering step in the scaffolds fabrication allowed the incorporation of an antibiotic (levofloxacin) into the composite inks (iron doped powders based), in order to obtain bone substitutes with the capacity to prevent infections by local drug release. Inks containing 34 vol.% and 40 vol.% of solids for non-doped and doped powders, respectively, were prepared, adding genipin as crosslinking agent of chitosan. Scaffolds with different porosities (300 μm, 500 μm and a gradient 300-500-300 μm according to the zz axis), were successfully obtained and characterized in terms of mechanical and microstructural properties. All pastes showed rheological properties suitable for robocasting printing process. The obtained scaffolds, non-doped and doped, with or without levofloxacin, did not show significant differences in the microstructure, presenting promising mechanical properties for the intended application. Drug release studies revealed a fast release of levofloxacin in the first 6h in all scaffolds with different porosities. Although doping with iron ions gave rise to powders with magnetization between 0,1-0,5 emug-1 at 40000 Oe, magneto-thermal response was not noticeable. The addition of 1 wt.% of magnetic nanoparticles to these powders resulted in 7°C increase after 10 min. under a alternating magnetic field of 337 kHz. This magnetothermal response, although not ideal for application in hyperthermia treatments, was superior when compared to the non-doped powders mixed with the same content of nanoparticles (increase of 2ºC in 10min), exhibiting the existence of a synergistic effect between the doped powders and the nanoparticles. The work developed throughout this thesis shows highly advances in the manufacture of multifunctional scaffolds, with promising capabilities for bone regeneration, treatment of local infections and hyperthermia.