Leve você para o mundo da bio impressão 3D 1
A impressão tridimensional (3DP), também conhecida como manufatura aditiva, tecnologia de prototipagem rápida, tecnologia de formação livre, etc., baseia-se no princípio do empilhamento discreto, usando técnicas de moldagem por superposição e camadas assistidas por computador. O material é adicionado camada por camada para formar um sólido 3D. Desde que o conceito de tecnologia de impressão 3D foi proposto pela primeira vez por Charles W. Hull em 1986, a impressão 3D penetrou em todas as esferas da vida e liderou a inovação, resultando em fabricação global devido às suas vantagens únicas em alta precisão, fabricação personalizada e construção de formas complexas . Mudança da indústria. A impressão 3D biológica é uma aplicação cruzada da tecnologia de impressão 3D no campo da biomedicina, que tem um importante significado de pesquisa e perspectivas de aplicação. A tecnologia de impressão 3D pode ser usada para criar modelos padrão, bem como stents cirúrgicos feitos sob medida para os pacientes. O defeito ósseo do paciente é escaneado por técnicas de imagem médica, como tomografia computadorizada (TC) ou ressonância magnética nuclear (RM) para obter o modelo de stent desejado, que é então impresso usando uma impressora tridimensional. Isto é difícil de conseguir com as técnicas tradicionais de moldagem. Nos últimos anos, a tecnologia de impressão 3D tem sido amplamente utilizada na área médica, incluindo transplante craniofacial, restauração de coroas, dispositivos protéticos, equipamentos médicos, modelos cirúrgicos, impressão de órgãos, modelos de entrega de medicamentos, stents de engenharia de tecido ósseo, etc. [1]. A tecnologia de impressão 3D atraiu grande atenção dos pesquisadores devido à sua adaptabilidade, controlabilidade estrutural e de poros e capacidade de compor vários materiais. Essa tendência também inspirou muitas invenções com tratamentos e dispositivos inovadores.

A seguir detalharemos os biomateriais atualmente disponíveis para impressão 3D no campo da engenharia de tecidos ósseos, incluindo seus respectivos pontos fortes e fracos e padrões de impressão. Ao mesmo tempo, como diferentes impressoras podem imprimir diferentes biomateriais, também fornecemos uma breve visão geral dos tipos e princípios de moldagem das impressoras 3D. Esperamos que esta revisão encoraje mais equipes de pesquisa a inventar novos biomateriais e, finalmente, tornar a tecnologia de impressão 3D mais desenvolvida no campo da engenharia de tecidos ósseos.

1. Introdução à classificação da tecnologia de impressão 3D

Se os biomateriais podem ou não ser impressos tem muito a ver com as impressoras 3D utilizadas. Impressoras diferentes têm requisitos de materiais diferentes. No campo da biomedicina, as principais impressoras utilizadas são divididas em quatro tipos: tecnologia de impressão estéreo fotopolimerizável, tecnologia de impressão por deposição fundida, tecnologia de sinterização seletiva a laser e tecnologia de extrusão direta de polpa.
As técnicas de deposição fundida e extrusão de pasta direta são dois métodos comumente usados para preparar scaffolds de engenharia de tecido ósseo. Algumas pastas impressas diretamente são soluções poliméricas que são misturadas com água ou solventes de baixo ponto de ebulição (diclorometano (DCM), dimetilsulfóxido (DMSO), algumas são soluções poliméricas que evaporam rapidamente após a extrusão, ou Alguns hidrogéis retêm sua estrutura original após a extrusão. são formados por impressão tridimensional podem ser mantidos em forma por comportamento tixotrópico, sensor de temperatura ou reticulação após extrusão. Para deposição fundida e impressão direta. A resolução pode ser tão alta quanto 25 mícrons no plano XY, e a camada a espessura é de 200-500 mícrons [2]. Em geral, esses dois métodos apresentam problemas ao imprimir modelos longos sem suporte ou pontiagudos. Os filamentos não têm resistência suficiente para se sustentarem imediatamente, havendo uma folga ou colapso total no peça não suportada. Para resolver este problema, às vezes o material de enchimento é adicionado durante o processo de impressão, após a impressão ser concluída. Ele é dissolvido em um solvente ou calcinado a alta temperatura.
A tecnologia de impressão 3D de fusão de partículas tem sido amplamente utilizada na prototipagem industrial, incluindo tecnologia de deposição seletiva de sinterização a laser e tecnologia de adesão de partículas, que não apenas imprime polímeros, cerâmicas, metais e seus compósitos, mas também lhes confere uma estrutura única ou complicada. A sinterização seletiva a laser usa um laser com uma orientação específica para trazer o polímero ou partículas de metal acima de seu ponto de fusão, derretendo assim as partículas. O feixe de laser é estratificado de acordo com o modelo de computador, e as partículas são derretidas a partir do topo, e esta etapa é repetida para alcançar o resultado final [3]. A tecnologia de laser seletivo é mais lenta de construir, mais cara e requer o uso de uma grande quantidade de material, mas sua capacidade de formar vários materiais em uma única máquina-ferramenta ainda a torna um sucesso em muitas áreas de fabricação. A tecnologia de ligação de partículas também é conhecida como tecnologia de sinterização a laser não direcional, e seu princípio principal é semelhante à tecnologia de sinterização seletiva a laser. No entanto, ao contrário da fusão a laser de partículas, a técnica de ligação de partículas usa uma solução de aglutinante líquida para unir as partículas e, em seguida, obter um sólido tridimensional por calcinação a alta temperatura. Técnicas de sinterização seletiva a laser e técnicas de adesão de partículas têm sido usadas na engenharia de tecidos duros, como ortopedia ou cirurgia oral.
A estereolitografia é o processo de formação de luz ultravioleta ou luz laser através de um polímero líquido fotopolimerizável para formar um único filme de polímero rígido. Após a polimerização, o substrato é abaixado na solução para que uma nova resina possa fluir sobre a superfície impressa e polimerizar acima. Entre todas as tecnologias de impressão, a litografia estéreo tem a resolução mais alta, a resolução da litografia estéreo tradicional atinge 25 mícrons, enquanto a litografia estéreo em microescala e a litografia estéreo de alta precisão têm uma resolução de um único mícron [4] ]. No entanto, devido à estereolitografia, ela só pode ser reticulada sob luz ultravioleta, propriedades de pós-formação estendidas, falta de propriedades mecânicas adequadas, a resina é facilmente bloqueada no final e, o mais importante, não possui fases biológicas relevantes que podem ser usadas para estereolitografia . Materiais capacitivos e biodegradáveis fazem com que não haja espaço para desenvolvimento na área médica. No entanto, nos últimos anos, a descoberta de alguns biomateriais reticuláveis naturais ou sintéticos proporcionou grandes oportunidades para a aplicação da estereolitografia no campo da engenharia de tecidos [5].
Figura 1 Como imprimir uma orelha [6]

Leve você ao mundo da bio impressão 3D 2

2. Classificação de material biomédico de impressão tridimensional

Nos últimos dez anos, a tecnologia de impressão 3D foi desenvolvida rapidamente, o que também permitiu que ela fosse aplicada em muitos novos campos e atraiu a atenção de equipamentos médicos e engenharia de tecidos. Como a impressão 3D pode personalizar produtos médicos específicos para pacientes em pouco tempo e baixo custo, isso também faz com que a tecnologia de impressão 3D tenha grandes perspectivas de desenvolvimento na futura era médica pessoal. Atualmente, existem muitos materiais biológicos para preparar scaffolds de engenharia de tecidos ósseos ou outros produtos médicos por meio de impressão tridimensional. Nesta sessão, forneceremos uma visão geral das propriedades do material necessárias para diferentes tecnologias de impressão e destacaremos os biomateriais que foram aplicados e suas vantagens e desvantagens.

2.1 Pasta de base cerâmica

As cerâmicas ativas biomédicas são ideais para materiais de reparo ósseo biônico, simulando a fase mineral, estrutura e propriedades mecânicas do osso natural. Atualmente, é difícil imprimir diretamente materiais cerâmicos usando impressoras 3D porque os materiais cerâmicos líquidos são pequenos em número e seu ponto de fusão está muito além do intervalo que a impressão por deposição fundida pode suportar. Além disso, os materiais cerâmicos não são adequados para a tecnologia de impressão tridimensional de fotopolimerização devido à falta de propriedades fotossensíveis. Também é difícil imprimir uma estrutura porosa e de alta densidade usando um sistema de impressão de sinterização a laser seletiva. A tecnologia de impressão 3D por extrusão direta é atualmente o método mais promissor para imprimir materiais cerâmicos. O pó cerâmico deve ter um tamanho de partícula adequado (geralmente 10-150 mícrons) e uma solução de ligação adequada para facilitar a impressão. Moldagem [7].
A hidroxiapatita em pó é amplamente utilizada na impressão tridimensional, o que está relacionado à grande quantidade de fosfato de cálcio em sua fase mineral. A solução poliacrílica foi pulverizada sobre o pó de AH camada por camada, seguida de sinterização para completar o processo de cura, de modo que se obteve um acoplamento de hidroxiapatita. Através da sinterização, sua resistência à compressão (0,5-12Mpa) pode atender aos requisitos mínimos do osso esponjoso humano. Ele foi transplantado para um modelo de camundongo e, após 8 semanas, a formação de novo osso começou na borda do stent, e osteóides e vasos sanguíneos cresceram no interior. No entanto, apesar do excelente desempenho do scaffold ósseo artificial, ainda está longe do padrão de uso clínico [8]. O biovidro é um agregado de silicatos no qual as moléculas internas são dispostas aleatoriamente. Os componentes do material podem trocar ou reagir com componentes do corpo vivo para formar uma substância compatível com o próprio organismo. Os pesquisadores conduziram uma série de estudos sobre o vidro bioativo por meio de experimentos com células e animais, e descobriram que o biovidro possui autodegradabilidade superior, e seu produto iônico pode aumentar a proliferação e diferenciação de osteoblastos e ativar a expressão de genes osteogênicos. A fim de tratar efetivamente os distúrbios de defeitos ósseos relacionados ao tumor, Lu et al [9] primeiro prepararam biovidro mesoporoso modificado com nanopartículas magnéticas e o misturou com quitosana para preparar um andaime composto poroso. O scaffold composto tem boas funções de regeneração óssea e terapia fototérmica, e tem grande valor de aplicação no tratamento de defeitos ósseos relacionados a tumores.
Figura 2 Osso artificial superelástico [10]

Leve você para o mundo da bio impressão 3D 3

2.1 Materiais poliméricos biomédicos

Os materiais de impressão de polímeros médicos têm excelentes propriedades de processamento, podem ser aplicados a uma variedade de modos de impressão e têm boa biocompatibilidade e degradabilidade, tornando-os a principal força nos biomateriais de impressão 3D. Diferentes técnicas de impressão exigem que diferentes parâmetros de impressão de material sejam definidos. Por exemplo, a impressão por deposição fundida usa um material de polímero termoplástico, que pode ser impresso simplesmente puxando a matéria-prima em forma de filamento, mas seu diâmetro é geralmente de cerca de 1,75 mm e possui uma propriedade de conversão rápida de solução sólida para garantir que seja é espremido. Ele derrete rapidamente antes de sair e pode ser resfriado rapidamente após a extrusão. A tecnologia de impressão tridimensional de fotopolimerização requer que a pasta esteja em estado líquido e tenha propriedades fotossensíveis.
Atualmente, os materiais poliméricos de impressão tridimensional mais utilizados são materiais de poliéster alifáticos degradáveis, como ácido polilático (PLA) e policaprolactona (PCL). A policaprolactona é um polímero semicristalino que já foi abandonado até o surgimento da engenharia de tecidos e da impressão 3D, e o PCL está mais uma vez no palco histórico. A policaprolactona possui excelentes propriedades reológicas e viscoelásticas quando aquecida, tornando-se um dos materiais mais importantes para impressoras baseadas em deposição fundida. A policaprolactona é estável no corpo por até seis meses, seguida de degradação gradual, e os subprodutos não são tóxicos e inofensivos ao corpo humano. O ácido polilático é um poliéster alifático termoplástico linear com boa biocompatibilidade e biodegradabilidade. No entanto, uma vez que a degradação do ácido poliláctico é conseguida por hidrólise das ligações éster, a libertação de ácido láctico provoca uma diminuição do valor do pH no ambiente fluido corporal circundante. Esses subprodutos ácidos são propensos à inflamação dos tecidos e à morte celular. Para melhorar esse problema, os pesquisadores combinaram ácido polilático com biocerâmica para preparar scaffolds compostos para melhorar sua biorresponsividade e impedir a formação de ambientes ácidos. Ion et al [11] usaram uma técnica de impressão 3D para fabricar uma nova estrutura composta de apatita-wollastonita/ácido polilático (AW/PLA) que corresponde às propriedades do osso cortical e esponjoso. Os resultados de experimentos com células in vitro mostraram que o scaffold composto AW/PLA pode efetivamente promover a proliferação e diferenciação osteogênica de células-tronco mesenquimais derivadas da medula óssea de rato. No modelo de defeito do crânio do rato, o scaffold composto mostrou boa osseointegração e a capacidade de promover a formação de novo osso.
Além do PLA e PCL, o polipropileno (PPF) é um dos materiais poliméricos biodegradáveis e fotocruzáveis mais estudados na fotocura. Normalmente, a pasta impressa é misturada com solvente de fumarato de dietila DEF, e um fotoiniciador também é adicionado. A viscosidade da solução e a proporção de PPF para DEF têm um grande efeito no processo de impressão e nas propriedades mecânicas do stent. A polieteretercetona (PEEK) só pode ser formada pela tecnologia de impressão seletiva de sinterização a laser devido ao seu ponto de fusão de 350 °C. No entanto, o alto ponto de fusão também confere resistência ao calor do PEEK, o que o torna estável durante a esterilização a vapor de alta temperatura. No entanto, como material biológico, o PPEK carece de osseointegração favorável à engenharia de tecidos e não pode ser bem combinado com o osso natural, por isso é fácil causar algumas reações de rejeição e o preço é caro [12].

2,3 pasta de hidrogel

Um hidrogel é um polímero formado por reticulação química ou física de um polímero solúvel em água, possui uma estrutura de rede reticulada tridimensional e também contém uma grande quantidade de água. O hidrogel possui propriedades de resistência ajustável, degradabilidade, modificação funcional, etc., e pode ser utilizado como material macio para mimetizar o microambiente da matriz extracelular, o que faz com que o hidrogel tenha amplas perspectivas de aplicação na área médica. Ele pode ser usado para preparar scaffolds de engenharia de tecidos bi ou tridimensionais e liberação controlada de drogas. As pastas de hidrogel impressas tridimensionalmente comumente usadas são divididas principalmente em três categorias: uma é preparada a partir de polímeros naturais, como alginato, ágar, gelatina, celulose, colágeno, fibroína de seda, ácido hialurônico, etc. como poliacrilamida, poliuretano, polietilenoglicol, etc.; o outro é uma pasta composta à base de hidrogel composta por um polímero sintético e um polímero natural.
Entre os polímeros sintéticos solúveis em água, o álcool polivinílico médico (PVA) é amplamente utilizado no campo da engenharia de tecidos. O PVA possui boa biocompatibilidade, não é tóxico e facilmente degradável, pode ser dissolvido em água a 95°C, forma um gel e possui alta viscosidade. Zhang et al [13] prepararam scaffolds compostos MBG/PVA com poros interconectados. A adição de PVA aumentou significativamente a tenacidade dos materiais. Experimentos em animais usando um modelo de defeito ósseo de crânio de rato também mostraram que o andaime MBG/PVA tem excelente atividade osteoindutora e promove a formação de novo osso e angiogênese no defeito ósseo.
Atualmente, tem havido muitos experimentos em que as células são co-cultivadas com bioscaffolds impressos em 3D. Os resultados também mostram que as células podem sobreviver em uma variedade de andaimes tridimensionais e são melhores do que as culturas bidimensionais comuns. Mas este é apenas um efeito bidimensional de células e materiais, e não coloca as células diretamente no sistema de impressão. A mistura direta de células com a pasta para impressão como uma nova ideia também atraiu ampla atenção dos pesquisadores. Os hidrogéis naturais têm boa citocompatibilidade. Sua composição é semelhante à da matriz extracelular, e sua capacidade de aderir a proteínas e células na superfície é fraca, e dificilmente afeta o processo metabólico das células. Pode envolver células, transportar nutrientes e secretar metabólitos. Andreia et ai. [14] testaram formulações de bio-tinta de colágeno tipo I e ácido hialurônico em diferentes proporções e determinaram uma formulação ideal que permite a bioimpressão enquanto apoia a atividade biológica e suporta as interações célula-matriz nativas. . Eles aplicaram a formulação à construção de tecido hepático 3D contendo hepatócitos primários humanos e células estreladas hepáticas e testaram os efeitos do acetaminofeno, um tóxico comum para o fígado. Os resultados mostram que a combinação de colágeno metacrilato de metila e ácido hialurônico tiol produz uma bio-tinta simples e imprimível que regula o crescimento de células mesenquimais e trata drogas. Tenha a reação certa.
Figura 3 Bioimpressão celular

Leve você para o mundo da bio impressão 3D 4

3. Conclusões e perspectivas

A tecnologia de impressão tridimensional tem grandes perspectivas de aplicação, mas ainda há muitos problemas a serem resolvidos como principais integrantes da área biomédica. Um dos problemas está nas limitações das próprias capacidades da impressora 3D. Embora sua velocidade de impressão e precisão de impressão tenham sido bastante aprimoradas, em muitos casos ainda não consegue atingir o melhor nível. Outro grande problema são as limitações dos biomateriais alternativos. Embora muitos materiais que podem ser impressos tenham suas próprias vantagens, os materiais utilizados para transplante devem atender às exigências das condições fisiológicas e ter uma boa resposta ao corpo humano. Em geral, os materiais ortopédicos ideais requerem as seguintes características: (1) printabilidade, (2) biocompatibilidade, (3) excelentes propriedades mecânicas, (4) boa degradabilidade e (5) subprodutos. Não tóxico e degradável, (6) boas propriedades biomiméticas do tecido. Diferentes tipos de impressoras têm diferentes requisitos de material, e essas características às vezes são difíceis de satisfazer totalmente. Por exemplo, na engenharia de tecido ósseo, por um lado, é necessário um material de scaffold de alta resistência para atender ao crescimento e carga de osteoblastos, mas isso também causa um problema de dificuldade na degradação do scaffold. Alguns materiais macios e de baixa resistência são fáceis de imprimir e degradam-se facilmente, mas não podem ser aplicados em peças de suporte de carga. Em geral, as pastas impressas tridimensionalmente são utilizadas no campo da reparação óssea e cartilaginosa devido à sua própria dureza e proximidade natural do osso. Fundamentalmente, a escolha dos biomateriais é equilibrar seu desempenho para atingir o material desejado.
A bio-suspensão de polímeros tem sido extensivamente estudada, especialmente para elastômeros baratos, como PLA e PCL. Esses materiais possuem excelente biocompatibilidade e propriedades mecânicas e são amplamente utilizados como materiais de substrato. Além destes, em pesquisas futuras, deve-se atentar para a degradabilidade, fragilidade e citocompatibilidade dos materiais poliméricos. Materiais cerâmicos, como HA e β-TCP, têm sido tradicionalmente considerados materiais ideais para scaffolds de engenharia de tecidos duros, e agora estão sendo cada vez mais usados no estudo de compósitos cerâmicos e poliméricos. A adição de materiais cerâmicos pode ser melhorada. A resistência do stent e as propriedades biológicas do compósito. O desenvolvimento da pasta biológica de hidrogel e do sistema de impressão nos aproximou da impressão de sistemas de modelos multifuncionais montados em células, e esperamos que a impressão de órgãos seja realizada um dia. Este processo começou com o estudo de suspensão de hidrogel supramolecular. Finalmente, se a tecnologia de impressão 3D deve ser aplicada à área médica, como realizar a produção em massa, como controlar a qualidade e como superar os obstáculos de gerenciamento são problemas que precisam ser resolvidos. Embora o caminho da frente seja longo e longo, a impressão 3D acabará por brilhar no campo da engenharia de tecidos e da medicina!
Referência
[1] Murphy SV, Atala A. Bioimpressão 3D de tecidos e órgãos[J]. Nature Biotechnology, 2014, 32(8): 773-785.
[2] Guvendiren M, Molde J, Soares RMD, et al. Projetando Biomateriais para Impressão 3D[J]. ACS Biomaterials Science & Engineering, 2016.
[3] Vermeulen M, Claessens T, Van Der Smissen, Van Holsbeke, De Backer, Van Ransbeeck, Verdonck. Fabricação de modelos de vias aéreas opticamente acessíveis para pacientes específicos por modelagem de deposição fundida. Rapid Prototyping Journal 2013, 19 (5), 312−318.
[4] Bertrand P, Bayle F, Combe C, Goeuriot P, Smurov I. Fabricação de componentes cerâmicos por sinterização seletiva a laser. Aplic. Surfe. Sci. 2007, 254 (4), 989-992.
[5] Derby B. Impressão e prototipagem de tecidos e scaffolds[J]. Ciência, 2012, 338(6109): 921-6.
[6] Kang, H.-W.; Lee, SJ; Ko, IK; Kengla, C.; Yoo, JJ; Atala, A. Um sistema de bioimpressão 3D para produzir construções de tecido em escala humana com integridade estrutural. Nat. Biotecnologia. 2016, 34 (3), 312-319.
[7] Xiaoyu Du, Shengyang Fu, Yufang Zhu. Impressão 3D de scafolds baseados em cerâmica para engenharia de tecido ósseo: uma visão geral. Jornal de química de materiais B, 2018,6:4397-4412.
[8] Fierz FC, Beckmann F, Huser M, etc. A morfologia de andaimes de hidroxiapatita anisotrópicos impressos em 3D. Biomateriais, 2008, 29 (28), 3799−3806.
[9] Jiawei Lu, Fan Yang, Qinfei Ke, Xuetao Xie, Yaping Guo. Scaffolds porosos modificados de nanopartículas magnéticas para regeneração óssea e terapia fototérmica contra tumores. Nanomedicina, 2018, 14(3):811-822
[10] AE Jakus, AL Rutz, SW Jordan, A. Kannan, SM Mitchell, C. Yun, KD Koube, SC Yoo, HE Whiteley, CP Richter, RD Galiano, WK Hsu, SR Stock, EL Hsu, RN Shah, “osso” hiperelástico: um biomaterial altamente versátil, livre de fatores de crescimento, osteoregenerativo, escalável e cirurgicamente amigável, Sci Transl Med, 2016, 8:358.
[11] Ion Tcacencu, Natacha Rodrigues, Naif Alharbi, Matthew Benning, etc. Osseointegração de estruturas porosas de apatita-wollastonita e poli(ácido lático) compostas criadas usando técnicas de impressão 3D. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl, 2018, 90:1-7.
[12] Hoath S. D, Vadillo D. C, Harlen O. G, McIlroy C, Morrison N. F, Hsiao W. K, Tuladhar T. R, Jung S, Martin G. D, Hutchings IM Impressão a jato de tinta de soluções poliméricas elásticas. J. Non-Newtonian Fluid Mech. 2014, 205,1-10.
[13] Zhang, JH; Zhao, SC; Zhu, YF; Huang, YJ; Zhu, M.; Tao, CL; Zhang, CQ Impressão tridimensional de andaimes de vidro bioativo contendo estrôncio para regeneração óssea. Acta Biomater. 2014, 10 (5), 2269-2281.
[14] Andrea Mazzocchi, Mahesh Devarasetty, Richard Huntwork, Shay Soker, Aleksander Skardal. Otimização da biotinta híbrida de colágeno tipo I-hyaluronan para microambientes hepáticos bioimpressos em 3D. Biofabricação, 2018, 11(1):015003.

Deixe uma resposta

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *