Projeto de um sistema automatizado de fabricação de enxertos de cartilagem em grande-escala

Abstract

O objetivo do presente trabalho consistiu no desenvolvimento e anteprojeto de um sistema-de-fabricação automatizado para a produção de matrizes tridimensionais de nanofibras de alinhamento controlado, visando a sua aplicação à engenharia de tecidos de cartilagem, eliminando assim a tradicional mão-de-obra laboratorial intensiva, aumentando a reprodutibilidade, a segurança e a eficiência-económica, contribuindo desta forma para uma mais fácil aplicação clinica. Este projeto iniciou-se com uma abordagem aos aspetos da biofabricação na engenharia de tecidos em particular os processo e materiais utilizados na produção de matrizes tridimensionais de fibras (scaffolds) para a engenharia de cartilagem. Foram detalhados os principais processos de eletrofiação, em particular os relacionados com o controlo do alinhamento das nanofibras depositadas e com a electropulverização de células. Numa segunda fase realizou-se um benchmarking aos princípios de funcionamento dos equipamentos disponíveis comercialmente assim como uma pesquisa às bases de dados de patentes internacionais relacionadas com a eletrofiação de nanofibras de alinhamento controlado. Procedeu-se ao desenvolvimento de diferentes conceitos para o sistema de biofabricação, sendo detalhados os principais requisitos funcionais e estabelecidas as especificações técnicas a que o equipamento deveria responder, sendo finalmente gerados diferentes conceitos de funcionamento do sistema de biofabricação e selecionado o mais promissor através de uma matriz de ponderação. O anteprojeto proposto consistiu numa inovadora solução que combina diferentes movimentos que permitem de uma forma totalmente automatizada a produção de matrizes tridimensionais de nanofibras eletrofiadas alinhadas, capaz de formar estruturas com qualquer espessura. O depósito e o alinhamento do fluxo de nanofibras são controlados pela combinação dos movimentos de duas fitas coletoras paralelas em movimento linear que estabelecem o alinhamento da fibra aquando da sua eletrofiação e de uma mesa com deslocamentos lineares e de rotação que permite o controlo do alinhamento das nanofibras depositadas nesta, assim como o seu espaçamento. Finalmente o movimento vertical desta mesa de deposição possibilita a acumulação de diferentes camadas de nanofibras alinhadas permitindo este movimento o controlo da espessura final da matriz fabricada.

The aim of the present work is the development and design an automated manufacturing system for the production of threedimensional nanofiber matrices with controlled alignment using a cartilage tissue engineering application, thus eliminating traditional laboratory work, increasing reproducibility, safety and economic efficiency, thus contributing to an easier clinical application. This project started with an approach to the aspects of biofabrication in tissue engineering in particular the processes and materials used in the production of three-dimensional scaffolds for cartilage engineering. The main electrospinning processes were detailed, in particular those related to the alignment control of the deposited nanofibers and the Electrospraying of cells. In a second phase, a benchmarking was made of the principles of operation of commercially available equipment, as well as a search for international patent databases related to the control of the alignment of electrospun nanofibers. Different concepts for the biofabrication system were developed, detailing the main functional requirements and technical specifications to which the equipment should respond, and finally different concepts of biofabrication system operation were generated and selected the most promising using a matrix of weighting. The proposed project consisted of an innovative solution that combines different motions that use a fully automated form to produce electrospun three-dimensional aligned nanofiber matrices capable of forming structures of any thickness. The deposition and alignment of the nanofiber flow is controlled by the combination of the motion of two parallel moving linear tapes and a table with linear and rotational displacements which allows the control of the alignment of the nanofibers deposited on it, as well as their spacing. Finally the vertical movement of this deposition table enables the accumulation of different aligned nanofiber layers allowing this movement to control the final thickness of the fabricated matrix.