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Development and production of 3D-printed composite scaffolds enriched with Beeswax for bone tissue regeneration

2024-10-31Master thesis Embargoed access
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datacite.subject.fosCiências Médicas::Ciências Biomédicas
dc.contributor.advisorMoreira, André Ferreira
dc.contributor.advisorCorreia, Ilídio Joaquim Sobreira
dc.contributor.advisorCabral, Cátia Solange Duarte
dc.contributor.authorFrancisco, Martinho Jorge
dc.date.accessioned2025-11-21T16:55:41Z
dc.date.available2025-11-21T16:55:41Z
dc.date.issued2024-10-31
dc.description.abstractThe regeneration of bone defects caused by trauma or disease is a significant challenge in modern medicine. Conventional therapeutic approaches like bone grafting (including autologous, allogeneic, and xenogeneic grafts), are widely used but have limitations such as donor scarcity, development of immune reactions, and risks of disease transmission, such as hepatitis, acquired immunodeficiency syndrome, bacterial infections, and bovine spongiform encephalopathy commonly known as “mad cow disease”. Bone tissue engineering has emerged as a promising alternative, focusing on developing bioactive scaffolds that mimic the native structure of bone. To this end, various therapeutic solutions under development aim to replicate the characteristics of native bone, namely the inorganic phase (i.e., calcium phosphate in the form of hydroxyapatite) and the organic phase (e.g., collagen type I, bone cells, and non-collagenous proteins), to support the natural bone healing process. This study aimed to attain the production of 3D scaffolds displaying suitable properties for bone tissue engineering, using a novel composite mixture comprising tricalcium phosphate (TCP), hydroxyapatite (HAp), sodium alginate (SA), beeswax (BW), and thymol (TM). The scaffolds were fabricated through a rapid prototyping technique, using the Fab@Home 3D-Plotter extruder via a top-down approach. The results demonstrated that the 3D-printed scaffolds exhibited well-defined structural and morphological features, with a porosity suitable for cell attachment and growth. Furthermore, scaffolds containing BW and TM showed rougher surfaces, which are more favorable for cell adhesion. The mechanical properties of the scaffolds, including compressive strength and Young’s modulus, were within the range required for bone regeneration. Otherwise, biological assays showed that the scaffolds were cytocompatible and were able to support human osteoblast cell adhesion and proliferation. In addition, the scaffolds containing TM demonstrated significant antibacterial activity, against Gram-positive (Staphylococcus aureus) and Gram-negative (Escherichia coli) bacteria, making them an attractive option for preventing infections in bone healing applications. In conclusion, this study allowed the successful production of novel 3D-printed scaffolds composed of TCP, HAp, SA, BW, and TM. Compared to previous work, the addition of BW resulted in structures with improved mechanical properties, especially in humid conditions. In addition, BW also allowed the optimization of various physicochemical properties such as hydrophobicity and surface roughness, favoring cell growth. On the other hand, the incorporation of TM demonstrates the potential of this phenolic compound for application in bone regeneration, as a viable alternative to conventional antibiotic-based methods to prevent the establishment of bacterial infections and biofilm development. In this way, the results show that the scaffolds produced, incorporating materials of natural origin, could be highly effective for future clinical applications in bone tissue regeneration.eng
dc.description.abstractA regeneração de defeitos ósseos causados por trauma ou doença é um desafio significativo na medicina moderna. Abordagens terapêuticas tradicionais, como enxertos ósseos (incluindo enxertos autólogos, alogénicos e xenogénicos), são amplamente utilizadas, mas apresentam algumas limitações tais como a escassez de tecido, desenvolvimento de reações imunológicas e riscos de transmissão de doenças, tais como hepatite, síndrome da imunodeficiência adquirida, infeções bacterianas e encefalopatia espongiforme bovina comumente conhecida como “doença da vaca louca”. Com o objetivo de ultrapassar estas limitações, a engenharia de tecidos surgiu como uma alternativa promissora, com foco no desenvolvimento de estruturas de suporte bioativas que replicam a estrutura natural do osso e que favorecem os processos de regeneração. Para tal, as diferentes soluções terapêuticas em desenvolvimento têm procurado reproduzir as características do osso nativo, nomeadamente a fase inorgânica, constituída por fosfato de cálcio na forma de hidroxiapatita, e a fase orgânica, contendo maioritariamente colágeno tipo I, células ósseas e proteínas não colagenosas. O presente trabalho de Mestrado teve como objetivo otimizar a produção de estruturas de suporte 3D, ou andaimes, para a engenharia de tecidos, utilizando uma nova mistura compósita, composta de fosfato tricálcico (TCP), hidroxiapatita (HAp), alginato de sódio (SA), cera de abelha (BW) e timol (TM). Os andaimes foram fabricados por prototipagem rápida, utilizando a extrusora Fab@Home 3D-Plotter, por meio de uma abordagem “topdown”. Os resultados obtidos demonstram que os andaimes produzidos apresentaram características estruturais e morfológicas bem definidas, e exibem uma porosidade adequada para a fixação e para o crescimento celular. Além disso, a adição de BW e TM resultou na produção de andaimes com uma superfície mais rugosa, que são mais vantajosas para a ancoragem celular. As propriedades mecânicas dos andaimes, incluindo resistência à compressão e módulo de Young, são adequadas para a promoção da regeneração óssea. Por outro lado, os ensaios biológicos demostraram a biocompatibilidade dos andaimes e a sua capacidade para promover a adesão e crescimento de osteoblastos humanos na sua superfície. Adicionalmente, os andaimes com TM apresentaram uma significativa atividade antibacteriana contra bactérias Grampositivas (Staphylococcus aureus) e Gram-negativas (Escherichia coli). Esta propriedade torna estes andaimes uma opção viável para a prevenção de infeções durante o processo de regeneração óssea. Em suma, o plano de trabalhos desenvolvido durante este Mestrado, permitiu desenvolver com sucesso novos andaimes 3D (composto por TCP, HAp, SA, BW e TM), impressos por prototipagem rápida. Quando comparado com trabalhos anteriores, a adição da BW resultou em estruturas com melhorias nas propriedades mecânicas, principalmente em condições húmidas. Adicionalmente, a BW permitiu ainda a otimização de diversas propriedades físico-químicas como a hidrofobicidade e rugosidade de superfície, favorecendo o crescimento celular. Por outro lado, a incorporação de TM demonstra o potencial deste composto fenólico para aplicação na regeneração do osso, sendo uma alternativa viável aos métodos convencionais baseados em antibióticos. Deste modo, os resultados revelam que os andaimes produzidos, incorporando materiais de origem natural, têm potencial para futuras aplicações na regeneração óssea em meio clínico.por
dc.identifier.tid203845722
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/10400.6/19352
dc.language.isoeng
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
dc.subjectAndaimes
dc.subjectCera de Abelha
dc.subjectMateriais Compósitos
dc.subjectPrototipagem rápida
dc.subjectRegeneração Óssea
dc.subjectTimol
dc.subject3D scaffolds
dc.subjectBeeswax
dc.subjectBone Regeneration
dc.subjectComposite materials
dc.subjectRapid prototyping
dc.subjectThymol
dc.titleDevelopment and production of 3D-printed composite scaffolds enriched with Beeswax for bone tissue regenerationpor
dc.typemaster thesis
dspace.entity.typePublication
person.familyNameFrancisco
person.givenNameMartinho Jorge
person.identifier.ciencia-idA517-3856-7218
person.identifier.orcid0009-0009-7898-5923
relation.isAuthorOfPublication4e3c55d6-6ed9-4183-9048-3509cfaf90f9
relation.isAuthorOfPublication.latestForDiscovery4e3c55d6-6ed9-4183-9048-3509cfaf90f9
thesis.degree.name2º Ciclo em Ciências Biomédicas

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