Bolsa de Doutoramento FCT: Desenvolvimento, caracterização e otimização de um biocompósito cerâmico multifuncional [2022.14478.BD]

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Desenvolvimento, caracterização e otimização de um biocompósito cerâmico multifuncional

Publication . Macedo, Duarte Félix; Silva, Abílio Manuel Pereira da; Oliveira, Filipe José Alves de; Oliveira, Mariana Braga de

Esta tese foca-se no desenvolvimento e otimização de biocerâmicas de Fosfato Tricálcico (TCP) dopado com iões metálicos e reforçado com grafeno ou zircónia, com o objetivo de criar materiais altamente biomiméticos para aplicações em engenharia de tecidos ósseos. O TCP foi dopado com iões de Mg2+, tendo obtido melhores propriedades mecânicas para TCP + 10 mol% Mg2+. Seguidamente, foi dopado com iões Mn2+, Zn2+ e Fe3+, cujas combinações foram otimizadas através do Design of Experiments (DoE) para combinação conjunta de 5 mol% total de dopagem, revelando que certas proporções promovem microestruturas densas, com boas propriedades mecânicas e ausência de citotoxicidade. Das várias composições testadas destacou-se o TCP dopado com 10 mol% Mg2+, 1,67 mol% Mn2+, 1,67 mol% Zn2+ e 1,67 mol% Fe3+ (TCP7). A adição de zircónia tetragonal e cúbica aumentou a resistência mecânica em até 55%, enquanto a porosidade interconectada, controlada com o porogénio Polimetilmetacrilato (PMMA), simulou a arquitetura óssea natural, favorecendo a viabilidade celular, mas reduziu a resistência mecânica em mais de 90%. Paralelamente, a incorporação de grafeno, até 3 wt%, melhorou significativamente a resistência à compressão diametral sem comprometer a biocompatibilidade, demonstrada em ensaios de citotoxicidade. A composição com melhores propriedades mecânicas foi o TCP7 com 1,5 wt% de grafeno. Para apoiar o design racional destes materiais, foi desenvolvida uma abordagem de modelação numérica avançada baseada em microestruturas reais 2D, permitindo gerar Volume Elementar Representativo (RVE) em 3D que preveem com alta precisão o módulo de Young dos compósitos, superando métodos analíticos convencionais. Em conjunto, os resultados demonstraram que é possível conceber biocerâmicas de TCP com propriedades mecânicas reforçadas, arquitetura porosa controlada e elevada citocompatibilidade, graças a uma estratégia multifatorial que combina dopagem iónica, reforço com nanomateriais e simulação digital. Estes avanços posicionaram os materiais desenvolvidos como candidatos promissores para implantes ósseos multifuncionais, com forte potencial clínico em ortopedia e odontologia.

2026-04-09Tese de doutoramento

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Palavras-chave

Engineering and technology; Engineering and technology/Materials engineering

Entidade financiadora

Fundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P.

Programa de financiamento

Bolsa de Doutoramento

Número da atribuição

2022.14478.BD