Bio-compósitos cerâmico/polímeros naturais para aplicações biomédicas

Abstract

As patologias osteoarticulares são das patologias ósseas que mais têm afetado a população nos últimos anos. Com o intuito de encontrar soluções alternativas às tradicionais para regeneração dos tecidos danificados por estas lesões, que afetam simultaneamente tecidos duros (osso) e moles (cartilagem), este trabalho teve como objetivo principal o fabrico de scaffolds compósitos multicamada, variando a composição do compósito por camadas ao longo da estrutura do scaffold usando uma mesma matriz polimérica, de forma a mimetizar a hierarquia destes tecidos biológicos. Para atingir esse objetivo, foram estudadas diferentes composições de polímeros naturais, quitosano e quitosano com fibroína de seda, e produzidos scaffolds compósitos, sem recorrer ao processo de sinterização, partindo de pastas com elevada concentração de pós à base de fosfatos de cálcio incorporados nas matrizes poliméricas estudadas. Pós de hidroxiapatite e β-fosfato tricálcico foram sintetizados, em laboratório, por precipitação química em meio aquoso, calcinados a 1000 ºC. Com os pós otimizados, prepararam-se pastas compósitas partindo de matrizes poliméricas à base de quitosano e fibroína de seda, usando genipina como agente reticulante. Após estudos reológicos de viscometria e viscoelasticidade das pastas, estas foram usadas para a produção de scaffolds com tamanhos de poro de 300 μm e 500 μm, por uma técnica de manufatura aditiva, designada por robocasting. Os scaffolds obtidos foram caracterizados quanto ao seu desempenho mecânico e microestrutural. A ductilidade das matrizes poliméricas reticuladas na ausência de hidroxiapatite/β-fosfato tricálcico foi avaliada por ensaios à tração. Numa fase final do trabalho, foram obtidos scaffolds multicamada, usando um método simples, em que os scaffolds compósitos obtidos por robocasting foram parcialmente mergulhados nas matrizes poliméricas, que reticularam in situ, obtendo-se um scaffold com 3 camadas: (i) scaffold compósito (matriz polimérica/fosfatos de cálcio), (ii) fase intermédia onde os poros do scaffold compósito são preenchidos por matriz polimérica e (iii) matriz polimérica. Dos resultados obtidos, e comparativamente a trabalhos anteriores, verificou-se que a fibroína de seda, usada como reforço de uma matriz de quitosano, permite melhorar significativamente as propriedades mecânicas dos scaffolds compósitos. A prova de conceito apresentada neste trabalho mostra ser possível a obtenção de um scaffold multicamada, com as diferentes camadas ligadas pela mesma matriz polimérica, sendo um caminho promissor para futuros desenvolvimentos deste tipo de materiais, por tecnologias mais avançadas, para regeneração de tecidos de interface.

Bone pathologies have increasingly affected the population over the years, especially osteoarticular pathologies, which simultaneously affect hard (bone) and soft (cartilage) tissues. In order to find alternative solutions to the traditional approaches for regeneration of these tissues, this work aimed at the manufacture of multi-layer composite scaffold varying the composition of the composite by layers along the scaffold structure using the same polymeric matrix to mimic the hierarchy of these biological tissues. To achieve this purpose, different compositions of natural polymers, chitosan and chitosan with silk fibroin were studied, and composite scaffolds were produced, without resorting to the sintering process, from pastes with high concentration of calcium phosphate powders incorporated in the polymeric matrices studied. Pure hydroxyapatite and β-tricalcium phosphate powders were synthesized by chemical precipitation in aqueous medium, calcined at 1000 ºC. With the optimized powders, composite pastes were prepared in chitosan and silk fibroin-based polymeric matrices, using genipine as crosslinker. After rheological studies of paste viscometry and viscoelasticity, these were used for the production of scaffolds with pore sizes of 300 μm and 500 μm by an additive manufacturing technique called robocasting. The obtained scaffolds were characterized as to their mechanical and microstructural performance. The flexibility of crosslinked polymeric matrices in the absence of hydroxyapatite/β-tricalcium phosphate was evaluated by tensile tests. In the final phase, multilayer scaffolds were obtained, using a simple method, in which the composite scaffolds obtained by robocasting were partially dipped in the polymeric matrices, which crosslinked in situ, obtaining a scaffold with 3 layers: (i) polymeric matrix/calcium phosphate composite, (ii) intermediate phase where the pores of the polymeric matrix/calcium phosphate composite are filled by polymeric matrix and (iii) polymeric matrix. From the results obtained, and comparing to previous works, it was found that silk fibroin used to reinforce a chitosan matrix allows to significantly improve the mechanical properties of composite scaffolds. The proof of concept presented in this work shows that it is possible to obtain a multilayer scaffold, with the different layers connected by the same polymeric matrix, representing a promising way for future developments of this type of materials, by more advanced technologies, for regeneration of interface tissues.