Fabricação por manufatura aditiva de scaffolds cerâmicos porosos com infiltração de biovidro para uso biomédico - Faccio, Maíra (My University, 2025)
Bone injuries and defects often require materials capable of promoting tissue repair, replacement, or regeneration. In this context, ceramic scaffolds have emerged as promising alternatives for mimicking and replacing damaged tissues due to their biocompatibility and structural versatility. To this end, this work presents the development of alumina-zirconia scaffolds produced by additive manufacturing by material extrusion (3D printing) and subsequently infiltrated with bioglass (45S5). The filaments for additive manufacturing by material extrusion were obtained in a twin-screw extruder by mixing ceramic powders (55% by mass) with low-density polyethylene polymer (45% by mass). To create a degradation curve for polymer removal after printing, a thermogravimetric analysis test was necessary. The produced and sintered scaffolds were subjected to bioglass infiltration and evaluated through morphological and biological analyses. The debinding (polymer removal) and sintering processes resulted in parts with internal pore sizes between 500 µm and 1 mm, with a dimensional reduction of approximately 30%, allowing bioglass infiltration. The presence of Si, Ca, and P was identified in all mixtures, elements responsible for contributing to the biological response. Biological tests demonstrated that the printed scaffolds, composed of alumina, zirconia, and a combination of both, with or without bioglass infiltration, did not present significant cytotoxicity in 3T3 or VERO renal epithelial fibroblasts after 72 h. Among these, the alumina-zirconia scaffold infiltrated with bioglass stood out for increasing cell viability and proliferation at 72 h (~150% increase). It also promoted strong cell adhesion and extracellular matrix release after 5 days, demonstrating superior biocompatibility and potential osteoinductive activity. It is worth noting that a combination of bioactive ceramic composites for the manufacture of scaffolds demonstrated strong potential in promoting tissue regeneration, preserving the integrity of the host tissue, an essential aspect for the prevention of clinical failures. [resumo fornecido pelo autor]
Lesões e defeitos ósseos frequentemente requerem materiais capazes de promover o reparo, a substituição ou a regeneração tecidual. Nesse contexto, os scaffolds cerâmicos surgiram como alternativas promissoras para mimetizar e substituir tecidos danificados, devido à sua biocompatibilidade e versatilidade estrutural. Para tanto, este trabalho apresenta o desenvolvimento de scaffolds de alumina-zircônia produzidos por manufatura aditiva por extrusão de material (impressão 3D) e posteriormente infiltrados com biovidro (45S5). Os filamentos para a manufatura aditiva por extrusão de material foram obtidos em extrusora dupla-rosca pela mistura dos pós cerâmicos (55 % em massa) com o polímero polietileno de baixa densidade (45 % em massa). Para criar uma curva de degradação para remoção do polímero após a impressão, foi necessário realizar um ensaio de análise termogravimétrica. Os scaffolds produzidos e sinterizados foram submetidos à infiltração de biovidro e foram avaliados por meio de análises morfológicas e biológicas. Os processos de debinding (remoção do polímero) e sinterização resultaram em peças com tamanhos de poros internos entre 500 µm e 1 mm, com uma redução dimensional de cerca de 30 % que permitiu a infiltração do biovidro. Foi identificada a presença de Si, Ca e P em todas as misturas, elementos responsáveis por contribuir na resposta biológica. Os testes biológicos demonstraram que os scaffolds impressos, compostos de alumina, zircônia e uma combinação de ambas, com ou sem infiltração de biovidro, não apresentaram citotoxicidade significativa em fibroblastos epiteliais renais 3T3 ou VERO após 72 h. Dentre estes, o scaffold de alumina-zircônia infiltrado com biovidro destacou-se por aumentar a viabilidade e a proliferação celular em 72 h (~ 150 % de aumento). Também promoveu forte adesão celular e liberação de matriz extracelular após 5 dias, demonstrando biocompatibilidade superior e potencial atividade osteoindutora. Cabe destacar que, uma combinação de compósitos cerâmicos bioativos para a fabricação de scaffolds demonstrou forte potencial na promoção da regeneração tecidual, preservando a integridade do tecido hospedeiro, aspecto essencial para a prevenção de falhas clínicas. [resumo fornecido pelo autor]
Keywords: Biomateriais; Engenharia tecidual; Ossos; Ciência dos materiais; Biomedical materials; Tissue engineering; Bones; Materials science