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Abstract(s)
The bone is a connective, vascularized, and mineralized tissue that participates in the
protection of organs, support and locomotion of the human body, maintenance of
homeostasis, and in hematopoiesis. However, throughout the lifetime, bone defects may
arise caused by trauma (mechanical fractures), disease, and/or aging, which when too
extensive compromise the ability of the bone to self-regenerate. In these circumstances,
lesions can be treated through different types of grafts, such as auto-, allo-, or xenografts.
However, these approaches have some disadvantages, such as limited availability, the
formation of new lesions, and the possibility of rejection. Thus, new methodologies have
been developed, permanent or temporary, to support and accelerate the process of bone
regeneration. Particularly, rapid prototyping techniques using composite materials
(consisting of ceramics and polymers) have been showing the ability to allow the rapid
development of customized 3D structures with osteoinductive and osteoconductive
properties.
In order to reinforce the mechanical and osteogenic properties of these 3D structures,
herein, a new 3D scaffold was produced through the layer-by-layer deposition of a
tricalcium phosphate (TCP), sodium alginate (SA), and lignin (LG) mixture using the
Fab@Home 3D-Plotter. The composition of the 3D printed mixture, i.e., inorganic and
organic phases, mimicked the natural composition of the bone matrix. Three different
TCP/LG/SA scaffolds were produced by varying the LG/SA ratio (i.e., 1:3, 1:2, and 1:1)
and compared with the TCP/SA scaffolds. The results demonstrated that the LG
inclusion improved the mechanical resistance of the scaffolds, particularly in the 1:2
formulation, and improved the water contact angle (WCA). Furthermore, the
TCP/LG/SA scaffolds presented high biocompatibility during the 7 days of study and
supported the adhesion and proliferation of hOB cells. Additionally, no significant
differences were observed in the calcium deposition on TCP/LG/SA scaffolds, when
compared to the TCP/SA counterparts. In conclusion, the results support the application
of TCP/LG/SA scaffolds in bone regeneration, originating stronger structures with more
suitable environments for cell adhesion and proliferation.
O osso é um tecido conjuntivo, vascularizado e mineralizado, que participa na proteção dos órgãos, no suporte e locomoção do corpo humano, na manutenção da homeostase e na hematopoiese. No entanto, ao longo da vida podem surgir defeitos ósseos causados por trauma (fraturas mecânicas), doença e/ou envelhecimento, que quando demasiado extensos comprometem a capacidade do osso se autorregenerar. Nestas circunstâncias, as lesões podem ser tratadas através dos diferentes tipos de enxertos, tais como os auto-, alo-, ou xenoenxertos. Contudo, estas abordagens apresentam algumas desvantagens como a disponibilidade limitada, a formação de novas lesões, e possibilidade de rejeição por parte do paciente. Desta forma, têm sido desenvolvidas novas abordagens terapêuticas, permanentes ou temporárias, para suportar e acelerar o processo de regeneração óssea. Particularmente, as técnicas de prototipagem rápida, que permitem a utilização de materiais compósitos (constituídos por cerâmica e polímeros), têm permitido o rápido desenvolvimento de estruturas 3D personalizadas e com propriedades osteoinductivas e osteocondutivas. Com o intuito de reforçar as propriedades mecânicas e osteogénicas destas estruturas 3D, neste trabalho, desenvolveu-se um novo andaime 3D que foi produzido através da deposição camada a camada de uma mistura composta por fosfato de tricálcico (TCP), alginato de sódio (SA) e lignina (LG) utilizando a impressora Fab@Home 3D-Plotter. A composição da mistura impressa em 3D, i.e., fase inorgânica e orgânica, teve por objetivo reproduzir a composição natural da matriz óssea. Para estudar o efeito da LG, foram produzidos três andaimes de TCP/LG/SA, variando o rácio entre LG e SA (1:3, 1:2 e 1:1) e comparados com os andaimes de TCP/SA. Os resultados obtidos demonstraram que as inclusões da LG contribuíram para uma melhoria na resistência mecânica dos andaimes, particularmente no rácio 1:2, e permitiu a otimização da hidrofilicidade dos materiais. Além disso, os andaimes TCP/LG/SA apresentaram uma elevada biocompatibilidade, durante os 7 dias de estudo, e permitiram a adesão e proliferação de osteoblastos humanos (hOB) na sua superfície. Por outro lado, não foram registadas diferenças significativas na deposição de cálcio à superfície dos andaimes de TCP/LG/SA, quando comparados com os formulados com TCP/SA. Em conclusão, os resultados obtidos revelaram que os andaimes produzidos possuem propriedades adequadas para aplicação na regeneração óssea, originando estruturas mais fortes mecanicamente e com ambientes mais adequados para a adesão e proliferação celular.
O osso é um tecido conjuntivo, vascularizado e mineralizado, que participa na proteção dos órgãos, no suporte e locomoção do corpo humano, na manutenção da homeostase e na hematopoiese. No entanto, ao longo da vida podem surgir defeitos ósseos causados por trauma (fraturas mecânicas), doença e/ou envelhecimento, que quando demasiado extensos comprometem a capacidade do osso se autorregenerar. Nestas circunstâncias, as lesões podem ser tratadas através dos diferentes tipos de enxertos, tais como os auto-, alo-, ou xenoenxertos. Contudo, estas abordagens apresentam algumas desvantagens como a disponibilidade limitada, a formação de novas lesões, e possibilidade de rejeição por parte do paciente. Desta forma, têm sido desenvolvidas novas abordagens terapêuticas, permanentes ou temporárias, para suportar e acelerar o processo de regeneração óssea. Particularmente, as técnicas de prototipagem rápida, que permitem a utilização de materiais compósitos (constituídos por cerâmica e polímeros), têm permitido o rápido desenvolvimento de estruturas 3D personalizadas e com propriedades osteoinductivas e osteocondutivas. Com o intuito de reforçar as propriedades mecânicas e osteogénicas destas estruturas 3D, neste trabalho, desenvolveu-se um novo andaime 3D que foi produzido através da deposição camada a camada de uma mistura composta por fosfato de tricálcico (TCP), alginato de sódio (SA) e lignina (LG) utilizando a impressora Fab@Home 3D-Plotter. A composição da mistura impressa em 3D, i.e., fase inorgânica e orgânica, teve por objetivo reproduzir a composição natural da matriz óssea. Para estudar o efeito da LG, foram produzidos três andaimes de TCP/LG/SA, variando o rácio entre LG e SA (1:3, 1:2 e 1:1) e comparados com os andaimes de TCP/SA. Os resultados obtidos demonstraram que as inclusões da LG contribuíram para uma melhoria na resistência mecânica dos andaimes, particularmente no rácio 1:2, e permitiu a otimização da hidrofilicidade dos materiais. Além disso, os andaimes TCP/LG/SA apresentaram uma elevada biocompatibilidade, durante os 7 dias de estudo, e permitiram a adesão e proliferação de osteoblastos humanos (hOB) na sua superfície. Por outro lado, não foram registadas diferenças significativas na deposição de cálcio à superfície dos andaimes de TCP/LG/SA, quando comparados com os formulados com TCP/SA. Em conclusão, os resultados obtidos revelaram que os andaimes produzidos possuem propriedades adequadas para aplicação na regeneração óssea, originando estruturas mais fortes mecanicamente e com ambientes mais adequados para a adesão e proliferação celular.
Description
Keywords
Andaimes Lignina Materiais Compósitos Prototipagem Rápida Regeneração Óssea