Influência do reforço na bioatividade de nanocompósitos de base polimérica processados por impressão 3D

Abstract

A substituição e reconstrução de tecido duro, principalmente do tecido ósseo, tem sido o objeto de estudo de diferentes áreas, das quais se salienta a engenharia de tecidos. Tal é uma consequência do envelhecimento da população, concomitantemente com o aumento crescente de doentes oncológicos e de acidentes traumáticos. Apesar de o osso ser um dos poucos tecidos capazes de regenerar sem formar uma cicatriz fibrosa, o processo de remodelação óssea também pode apresentar defeitos, resultando num processo lento de cicatrização, na cicatrização do tecido em posições anatómicas desfavoráveis ou no desenvolvimento de artroses e falhas na união do tecido. A existência de uma possível anomalia no processo de cicatrização do tecido ósseo, implica a necessidade de desenvolver alternativas para auxiliar este processo. Atualmente, existem vários tipos de implantes para a reparação do tecido ósseo que, no entanto, seguem um modelo universal. Assim, dada a variabilidade e as complexidades geométricas que tendem a surgir de defeitos e lesões ósseas, as técnicas de impressão 3D têm vindo a ganhar interesse no desenvolvimento destes dispositivos pois permitem a liberdade na complexidade geométrica aliada à especificidade anatómica de cada paciente.A presente dissertação visa produzir componentes por Fabricação de Filamento Fundido (Fused Filament Fabrication – FFF), utilizando nanocompósitos de matriz polimérica reforçados com materiais biogénicos. O objetivo principal do presente trabalho é o estudo da influência deste tipo de reforços biológicos sustentáveis em polímeros termoplásticos para a reconstrução de tecido duro. Para tal foram selecionados os polímeros poli(ácido lático) (PLA) e poliuretana termoplástica (TPU), bem como o pó de concha de ostra (OSP) como reforço. Para todos os materiais poliméricos (PLA, PLA reforçados com pó de ostra (PLAO), TPU e TPU reforçada com pó de ostra (TPUO)) foram avaliadas as propriedades químicas e térmicas dos filamentos comerciais, assim como os aspetos morfológicos, de sorção, de degradação e as propriedades químicas e mecânicas dos provetes impressos.De acordo com o estudo da caracterização química da superfície e da biodegrabilidade dos provetes impressos foi possível concluir que ocorreu formação de precipitados do tipo apatite, tanto na superfície dos provetes de PLAO como de TPUO, após imersão em solução de Hank. No entanto, em solução PBS, apenas ocorreu formação de precipitados do tipo apatite na superfície dos provetes de TPUO. Através dos ensaios mecânicos foi possível inferir que os materiais que possuem propriedades mecânicas à tração mais semelhantes à do osso esponjoso são a TPU e a TPUO, enquanto o PLAO é material que apresenta propriedades mecânicas à tração mais idênticas às do osso cortical. Já em relação às propriedades mecânicas à flexão, os resultados mais promissores foram os dos provetes de PLAO e PLA por serem os mais semelhantes aos do osso esponjoso e do osso cortical, respetivamente.Este estudo forneceu indicações favoráveis quanto ao sucesso de utilizar a impressão 3D na fabricação de materiais de base polimérica reforçados com subprodutos de ostra, sendo que a adição destes reforços influenciou positivamente a bioatividade e as propriedades mecânicas dos materiais.

The replacement and reconstruction of hard tissue, mainly bone tissue, has been the object of study in different areas, of which tissue engineering stands out. This is a result of the aging population, which is also accompanied by an increase in cancer patients and fatal accidents. Although bone is one of the few tissues capable of regenerating without forming a fibrous scar, the bone remodeling process can also be faulty, resulting in a slow healing process, tissue healing in unfavorable anatomical positions, or the development of arthrosis and tissue union failure.The existence of a possible anomaly in the bone tissue healing process implies the need to develop alternatives to assist this process. There are currently many different types of implants for bone tissue healing, but they all follow a universal model. Thus, given the variability and geometric complexities that tend to arise from bone defects and lesions, 3D printing techniques have been garnering interest in the development of these devices because they allow freedom in geometric complexity combined with the anatomical specificity of each patient.The present dissertation aims to produce components through Fused Filament Fabrication (FFF) using polymer matrix nanocomposites reinforced with biogenic materials. The focus of the present work is to study the influence of this type of sustainable biological reinforcements in thermoplastic polymers for hard tissue reconstruction. For this purpose the polymers poly(lactic acid) (PLA) and thermoplastic polyurethane (TPU) as well as oyster shell powder (OSP) were selected as reinforcement.For all polymeric materials (PLA, oyster powder reinforced PLA (PLAO), TPU, and oyster powder reinforced TPU (TPUO)) the chemical and thermal properties of the commercial filaments as well as the morphological, sorption, degradation, chemical, and mechanical properties of the printed specimens were investigated.According to the study of surface chemical characterization and biodegradability of the printed specimens, it was possible to conclude that the formation of apatite-like precipitates occurred on the surface of both PLAO and TPUO specimens after immersion in Hank's solution. However, in PBS solution, only apatite-like precipitates were formed on the surface of TPUO specimens. The results of the mechanical tests allowed us to deduce that TPU and TPUO are the materials with mechanical characteristics in traction that are mostly identical to those of cancellous bone, whereas PLAO is a material with mechanical properties in traction that are most similar to those of cortical bone. On the other hand, regarding the mechanical properties in flexion, the most promising results were those of PLAO and PLA specimens, as they are the most similar to those of cancellous bone and cortical bone, respectively. This study provided favorable indications regarding the success of using 3D printing to produce polymer-based materials reinforced with oyster byproducts, and the addition of these reinforcements positively influenced the bioactivity and mechanical properties of the materials.