Tese
Biocompósito a partir de PLA, Biovidro e Nanotubos de Carbono por Impressão 3D visando Regeneração Óssea
Biocomposite from PLA, bioglass and carbon nanotubes by 3D printing aiming at bone regeneration
Registro en:
Autor
VASCONCELOS, Esleane Vilela
Institución
Resumen
Bone involvement promoted by aging and accidents has aroused interest in
biomaterials and technologies for bone regeneration purposes. Thus, 3D printing
technology gained prominence in the production of scaffolds due to its versatility in the
production of complex geometries with interconnected pores. In this work, scaffolds
composed of poly (lactic acid) (PLA), bioglass (BV) and carbon nanotubes (NTC) were
produced by 3D printing, using hexagonal geometry, similar to honeycomb, interleaved.
Poly (lactic acid) is a biopolymer already used in biomaterials, while bioglass has
proven to be an excellent strategy for use in bone regeneration due to its excellent
properties of biocompatibility, bioactivity and osteointegration, however they have low
mechanical resistance and carbon nanotubes have shown excellent mechanical
reinforcement in composite biomaterials. Thus, the main objective of this study was to
produce and characterize a biocomposite of PLA, bioglass and carbon nanotubes by 3D
printing and to study its chemical structure, crystallineity and morphology, using fourier
transform infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, X-ray diffraction and scanning
electron microscope. The thermal stability of the composite was evaluated by
thermogravimetry, mechanical properties by compression tests and cell viability was
determined by the Alamar Blue test. The bioglass was synthesized by sol-gel method
presenting bioactive phases of silicate. The scaffolds were produced by 3D printing with
hexagonal structures in honeycomb in PLA, PLA/BV and PLA/NTC that were
impregnated with bioglass on its surface. The results of the scaffolds demonstratedinterconnected and well-defined pores, ranging from 130 μm to 800 μm. Raman
spectroscopy confirmed the interaction of BV in the polymer matrix through new peaks
in the spectrum between 1400 and 2600 cm-1 and the presence of the D, G and 2D bands
of NTC. In the compression assay, PLA scaffolds with 2 mm diameter showed higher
compression stress of 14.88 ± 2.35 MPa, while PLA/NTC higher modulus of apparent
compression, 0.58 ± 0.36 GPa. In cell viability, statistical tests showed that there was no
significant difference between scaffolds with 2 and 4 mm diameter. The results reveal
promising results for the use of 3D printed composites in bone repair sponges. Thus, we
suggest the composite of PLA/NTC of 4mm impregnated with BV on the surface as the
best bone substitute, however, the application in implants remains limited in relation to
osteogenic integration. O comprometimento ósseo promovido pelo envelhecimento e acidentes tem
despertado o interesse em biomateriais e tecnologias para fins de regeneração óssea.
Assim, a tecnologia de impressão 3D ganhou destaque na produção de scaffolds devido
à sua versatilidade na produção de geometrias complexas com poros interligados. Neste
trabalho, scaffolds compostos de poli (ácido lático) (PLA), biovidro (BV) e nanotubos
de carbono (NTC) foram produzidos por impressão 3D, utilizando geometria hexagonal,
semelhante a favo de mel, intercalado. O poli (ácido lático) é um biopolímero já usado
em biomateriais, já o biovidro tem se mostrado uma ótima estratégia para uso em
regeneração óssea devido suas excelentes propriedades de biocompatibilidade,
bioatividade e osteointegração, contudo possuem baixa resistência mecânica e, os
nanotubos de carbono tem mostrado excelente reforço mecânico em biomateriais
compósitos. Assim, o objetivo principal deste estudo foi produzir e caracterizar um
biocompósito de PLA, biovidro e nanotubos de carbono por impressão 3D e estudar sua
estrutura química, cristalinidade e morfologia, usando espectroscopia no infravermelho
por transformada de Fourier, espectroscopia Raman, difratometria de raios X e
microscopia eletrônica de varredura. A estabilidade térmica do compósito foi avaliada
por termogravimetria, as propriedades mecânicas por ensaios de compressão e a
viabilidade celular foi determinada pelo teste Alamar Blue. O biovidro foi sintetizado
por método sol-gel apresentando fases bioativas de silicato. Os scaffolds foram
produzidos por impressão 3D com estruturas hexagonais em favo de mel em PLA,PLA/BV e PLA/NTC que foram impregnados com biovidro em sua superfície. Os
resultados dos scaffolds demonstraram poros interconectados e bem definidos, variando
de 130 µm a 800 µm. Espectroscopia Raman confirmou a interação do BV na matriz
polimérica por meio de novos picos no espectro entre 1400 e 2600 cm-1 e a presença das
bandas D, G e 2D dos NTC. No ensaio de compressão, os scaffolds de PLA com 2 mm
de diâmetro demonstraram maior tensão de compressão de 14,88 ± 2,35 MPa, enquanto
o PLA/NTC maior módulo de compressão aparente, de 0,58 ± 0,36 GPa. Na viabilidade
celular, os testes estatísticos mostraram que não houve uma diferença significativa entre
os scaffolds com 2 e 4 mm de diâmetro. Os resultados revelam resultados promissores
para o uso dos compósitos impressos em 3D no reparo ósseo esponjosos. Assim,
sugerimos o compósito de PLA/NTC de 4mm impregnado com BV na superfície como
melhor substituto ósseo, entretanto, a aplicação em implantes permanece limitada em
relação à integração osteogênica. UFPA - Universidade Federal do Pará, Faculdade de Enfermagem.