A impress?o tridimensional (3DP), também conhecida como manufatura aditiva, tecnologia de prototipagem rápida, tecnologia de forma??o livre, etc., baseia-se no princípio do empilhamento discreto, usando técnicas de moldagem por superposi??o e camadas assistidas por computador. O material é adicionado camada por camada para formar um sólido 3D. Desde que o conceito de tecnologia de impress?o 3D foi proposto pela primeira vez por Charles W. Hull em 1986, a impress?o 3D penetrou em todas as esferas da vida e liderou a inova??o, resultando em fabrica??o global devido às suas vantagens únicas em alta precis?o, fabrica??o personalizada e constru??o de formas complexas . Mudan?a da indústria. A impress?o 3D biológica é uma aplica??o cruzada da tecnologia de impress?o 3D no campo da biomedicina, que tem um importante significado de pesquisa e perspectivas de aplica??o. A tecnologia de impress?o 3D pode ser usada para criar modelos padr?o, 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 ressonancia magnética nuclear (RM) para obter o modelo de stent desejado, que é ent?o impresso usando uma impressora tridimensional. Isto é difícil de conseguir com as técnicas tradicionais de moldagem. Nos últimos anos, a tecnologia de impress?o 3D tem sido amplamente utilizada na área médica, incluindo transplante craniofacial, restaura??o de coroas, dispositivos protéticos, equipamentos médicos, modelos cirúrgicos, impress?o de órg?os, modelos de entrega de medicamentos, stents de engenharia de tecido ósseo, etc. [1]. A tecnologia de impress?o 3D atraiu grande aten??o dos pesquisadores devido à sua adaptabilidade, controlabilidade estrutural e de poros e capacidade de compor vários materiais. Essa tendência também inspirou muitas inven??es com tratamentos e dispositivos inovadores.

Se os biomateriais podem ou n?o 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 s?o divididas em quatro tipos: tecnologia de impress?o estéreo fotopolimerizável, tecnologia de impress?o por deposi??o fundida, tecnologia de sinteriza??o seletiva a laser e tecnologia de extrus?o direta de polpa.

As técnicas de deposi??o fundida e extrus?o de pasta direta s?o dois métodos comumente usados para preparar scaffolds de engenharia de tecido ósseo. Algumas pastas impressas diretamente s?o solu??es poliméricas que s?o misturadas com água ou solventes de baixo ponto de ebuli??o (diclorometano (DCM), dimetilsulfóxido (DMSO), algumas s?o solu??es poliméricas que evaporam rapidamente após a extrus?o, ou Alguns hidrogéis retêm sua estrutura original após a extrus?o. s?o formados por impress?o tridimensional podem ser mantidos em forma por comportamento tixotrópico, sensor de temperatura ou reticula??o após extrus?o. Para deposi??o fundida e impress?o direta. A resolu??o pode ser t?o 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 n?o têm resistência suficiente para se sustentarem imediatamente, havendo uma folga ou colapso total no pe?a n?o suportada. Para resolver este problema, às vezes o material de enchimento é adicionado durante o processo de impress?o, após a impress?o ser concluída. Ele é dissolvido em um solvente ou calcinado a alta temperatura.

A tecnologia de impress?o 3D de fus?o de partículas tem sido amplamente utilizada na prototipagem industrial, incluindo tecnologia de deposi??o seletiva de sinteriza??o a laser e tecnologia de ades?o de partículas, que n?o apenas imprime polímeros, ceramicas, metais e seus compósitos, mas também lhes confere uma estrutura única ou complicada. A sinteriza??o seletiva a laser usa um laser com uma orienta??o específica para trazer o polímero ou partículas de metal acima de seu ponto de fus?o, derretendo assim as partículas. O feixe de laser é estratificado de acordo com o modelo de computador, e as partículas s?o derretidas a partir do topo, e esta etapa é repetida para alcan?ar 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 fabrica??o. A tecnologia de liga??o de partículas também é conhecida como tecnologia de sinteriza??o a laser n?o direcional, e seu princípio principal é semelhante à tecnologia de sinteriza??o seletiva a laser. No entanto, ao contrário da fus?o a laser de partículas, a técnica de liga??o de partículas usa uma solu??o de aglutinante líquida para unir as partículas e, em seguida, obter um sólido tridimensional por calcina??o a alta temperatura. Técnicas de sinteriza??o seletiva a laser e técnicas de ades?o de partículas têm sido usadas na engenharia de tecidos duros, como ortopedia ou cirurgia oral.

A estereolitografia é o processo de forma??o de luz ultravioleta ou luz laser através de um polímero líquido fotopolimerizável para formar um único filme de polímero rígido. Após a polimeriza??o, o substrato é abaixado na solu??o para que uma nova resina possa fluir sobre a superfície impressa e polimerizar acima. Entre todas as tecnologias de impress?o, a litografia estéreo tem a resolu??o mais alta, a resolu??o da litografia estéreo tradicional atinge 25 mícrons, enquanto a litografia estéreo em microescala e a litografia estéreo de alta precis?o têm uma resolu??o de um único mícron [4] ]. No entanto, devido à estereolitografia, ela só pode ser reticulada sob luz ultravioleta, propriedades de pós-forma??o estendidas, falta de propriedades mecanicas adequadas, a resina é facilmente bloqueada no final e, o mais importante, n?o possui fases biológicas relevantes que podem ser usadas para estereolitografia . Materiais capacitivos e biodegradáveis fazem com que n?o haja espa?o para desenvolvimento na área médica. No entanto, nos últimos anos, a descoberta de alguns biomateriais reticuláveis naturais ou sintéticos proporcionou grandes oportunidades para a aplica??o da estereolitografia no campo da engenharia de tecidos [5].

Figura 1 Como imprimir uma orelha [6]

Nos últimos dez anos, a tecnologia de impress?o 3D foi desenvolvida rapidamente, o que também permitiu que ela fosse aplicada em muitos novos campos e atraiu a aten??o de equipamentos médicos e engenharia de tecidos. Como a impress?o 3D pode personalizar produtos médicos específicos para pacientes em pouco tempo e baixo custo, isso também faz com que a tecnologia de impress?o 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 impress?o tridimensional. Nesta sess?o, forneceremos uma vis?o geral das propriedades do material necessárias para diferentes tecnologias de impress?o e destacaremos os biomateriais que foram aplicados e suas vantagens e desvantagens.

As ceramicas ativas biomédicas s?o ideais para materiais de reparo ósseo bi?nico, simulando a fase mineral, estrutura e propriedades mecanicas do osso natural. Atualmente, é difícil imprimir diretamente materiais ceramicos usando impressoras 3D porque os materiais ceramicos líquidos s?o pequenos em número e seu ponto de fus?o está muito além do intervalo que a impress?o por deposi??o fundida pode suportar. Além disso, os materiais ceramicos n?o s?o adequados para a tecnologia de impress?o tridimensional de fotopolimeriza??o devido à falta de propriedades fotossensíveis. Também é difícil imprimir uma estrutura porosa e de alta densidade usando um sistema de impress?o de sinteriza??o a laser seletiva. A tecnologia de impress?o 3D por extrus?o direta é atualmente o método mais promissor para imprimir materiais ceramicos. O pó ceramico deve ter um tamanho de partícula adequado (geralmente 10-150 mícrons) e uma solu??o de liga??o adequada para facilitar a impress?o. Moldagem [7].

A hidroxiapatita em pó é amplamente utilizada na impress?o tridimensional, o que está relacionado à grande quantidade de fosfato de cálcio em sua fase mineral. A solu??o poliacrílica foi pulverizada sobre o pó de AH camada por camada, seguida de sinteriza??o para completar o processo de cura, de modo que se obteve um acoplamento de hidroxiapatita. Através da sinteriza??o, sua resistência à compress?o (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 forma??o de novo osso come?ou 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 padr?o de uso clínico [8]. O biovidro é um agregado de silicatos no qual as moléculas internas s?o dispostas aleatoriamente. Os componentes do material podem trocar ou reagir com componentes do corpo vivo para formar uma substancia 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 i?nico pode aumentar a prolifera??o e diferencia??o de osteoblastos e ativar a express?o 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 fun??es de regenera??o óssea e terapia fototérmica, e tem grande valor de aplica??o no tratamento de defeitos ósseos relacionados a tumores.

Figura 2 Osso artificial superelástico [10]

Os materiais de impress?o de polímeros médicos têm excelentes propriedades de processamento, podem ser aplicados a uma variedade de modos de impress?o e têm boa biocompatibilidade e degradabilidade, tornando-os a principal for?a nos biomateriais de impress?o 3D. Diferentes técnicas de impress?o exigem que diferentes parametros de impress?o de material sejam definidos. Por exemplo, a impress?o por deposi??o fundida usa um material de polímero termoplástico, que pode ser impresso simplesmente puxando a matéria-prima em forma de filamento, mas seu diametro é geralmente de cerca de 1,75 mm e possui uma propriedade de convers?o rápida de solu??o sólida para garantir que seja é espremido. Ele derrete rapidamente antes de sair e pode ser resfriado rapidamente após a extrus?o. A tecnologia de impress?o tridimensional de fotopolimeriza??o requer que a pasta esteja em estado líquido e tenha propriedades fotossensíveis.

Atualmente, os materiais poliméricos de impress?o tridimensional mais utilizados s?o 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 impress?o 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 deposi??o fundida. A policaprolactona é estável no corpo por até seis meses, seguida de degrada??o gradual, e os subprodutos n?o s?o 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 degrada??o do ácido poliláctico é conseguida por hidrólise das liga??es éster, a liberta??o de ácido láctico provoca uma diminui??o do valor do pH no ambiente fluido corporal circundante. Esses subprodutos ácidos s?o propensos à inflama??o dos tecidos e à morte celular. Para melhorar esse problema, os pesquisadores combinaram ácido polilático com bioceramica para preparar scaffolds compostos para melhorar sua biorresponsividade e impedir a forma??o de ambientes ácidos. Ion et al [11] usaram uma técnica de impress?o 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 prolifera??o e diferencia??o osteogênica de células-tronco mesenquimais derivadas da medula óssea de rato. No modelo de defeito do cranio do rato, o scaffold composto mostrou boa osseointegra??o e a capacidade de promover a forma??o 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 solu??o e a propor??o de PPF para DEF têm um grande efeito no processo de impress?o e nas propriedades mecanicas do stent. A polieteretercetona (PEEK) só pode ser formada pela tecnologia de impress?o seletiva de sinteriza??o a laser devido ao seu ponto de fus?o de 350 °C. No entanto, o alto ponto de fus?o também confere resistência ao calor do PEEK, o que o torna estável durante a esteriliza??o a vapor de alta temperatura. No entanto, como material biológico, o PPEK carece de osseointegra??o favorável à engenharia de tecidos e n?o pode ser bem combinado com o osso natural, por isso é fácil causar algumas rea??es de rejei??o e o pre?o é caro [12].

Um hidrogel é um polímero formado por reticula??o 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, modifica??o 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 aplica??o na área médica. Ele pode ser usado para preparar scaffolds de engenharia de tecidos bi ou tridimensionais e libera??o controlada de drogas. As pastas de hidrogel impressas tridimensionalmente comumente usadas s?o divididas principalmente em três categorias: uma é preparada a partir de polímeros naturais, como alginato, ágar, gelatina, celulose, colágeno, fibroína de seda, ácido hialur?nico, 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, n?o 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 adi??o de PVA aumentou significativamente a tenacidade dos materiais. Experimentos em animais usando um modelo de defeito ósseo de cranio de rato também mostraram que o andaime MBG/PVA tem excelente atividade osteoindutora e promove a forma??o de novo osso e angiogênese no defeito ósseo.

Atualmente, tem havido muitos experimentos em que as células s?o co-cultivadas com bioscaffolds impressos em 3D. Os resultados também mostram que as células podem sobreviver em uma variedade de andaimes tridimensionais e s?o melhores do que as culturas bidimensionais comuns. Mas este é apenas um efeito bidimensional de células e materiais, e n?o coloca as células diretamente no sistema de impress?o. A mistura direta de células com a pasta para impress?o como uma nova ideia também atraiu ampla aten??o dos pesquisadores. Os hidrogéis naturais têm boa citocompatibilidade. Sua composi??o 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 formula??es de bio-tinta de colágeno tipo I e ácido hialur?nico em diferentes propor??es e determinaram uma formula??o ideal que permite a bioimpress?o enquanto apoia a atividade biológica e suporta as intera??es célula-matriz nativas. . Eles aplicaram a formula??o à constru??o 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 combina??o de colágeno metacrilato de metila e ácido hialur?nico tiol produz uma bio-tinta simples e imprimível que regula o crescimento de células mesenquimais e trata drogas. Tenha a rea??o certa.

Figura 3 Bioimpress?o celular

A tecnologia de impress?o tridimensional tem grandes perspectivas de aplica??o, mas ainda há muitos problemas a serem resolvidos como principais integrantes da área biomédica. Um dos problemas está nas limita??es das próprias capacidades da impressora 3D. Embora sua velocidade de impress?o e precis?o de impress?o tenham sido bastante aprimoradas, em muitos casos ainda n?o consegue atingir o melhor nível. Outro grande problema s?o as limita??es dos biomateriais alternativos. Embora muitos materiais que podem ser impressos tenham suas próprias vantagens, os materiais utilizados para transplante devem atender às exigências das condi??es 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 mecanicas, (4) boa degradabilidade e (5) subprodutos. N?o tóxico e degradável, (6) boas propriedades biomiméticas do tecido. Diferentes tipos de impressoras têm diferentes requisitos de material, e essas características às vezes s?o 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 degrada??o do scaffold. Alguns materiais macios e de baixa resistência s?o fáceis de imprimir e degradam-se facilmente, mas n?o podem ser aplicados em pe?as de suporte de carga. Em geral, as pastas impressas tridimensionalmente s?o utilizadas no campo da repara??o 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-suspens?o de polímeros tem sido extensivamente estudada, especialmente para elast?meros baratos, como PLA e PCL. Esses materiais possuem excelente biocompatibilidade e propriedades mecanicas e s?o amplamente utilizados como materiais de substrato. Além destes, em pesquisas futuras, deve-se atentar para a degradabilidade, fragilidade e citocompatibilidade dos materiais poliméricos. Materiais ceramicos, como HA e β-TCP, têm sido tradicionalmente considerados materiais ideais para scaffolds de engenharia de tecidos duros, e agora est?o sendo cada vez mais usados no estudo de compósitos ceramicos e poliméricos. A adi??o de materiais ceramicos pode ser melhorada. A resistência do stent e as propriedades biológicas do compósito. O desenvolvimento da pasta biológica de hidrogel e do sistema de impress?o nos aproximou da impress?o de sistemas de modelos multifuncionais montados em células, e esperamos que a impress?o de órg?os seja realizada um dia. Este processo come?ou com o estudo de suspens?o de hidrogel supramolecular. Finalmente, se a tecnologia de impress?o 3D deve ser aplicada à área médica, como realizar a produ??o em massa, como controlar a qualidade e como superar os obstáculos de gerenciamento s?o problemas que precisam ser resolvidos. Embora o caminho da frente seja longo e longo, a impress?o 3D acabará por brilhar no campo da engenharia de tecidos e da medicina!

Referência

[1] Murphy SV, Atala A. Bioimpress?o 3D de tecidos e órg?os[J]. Nature Biotechnology, 2014, 32(8): 773-785.

[2] Guvendiren M, Molde J, Soares RMD, et al. Projetando Biomateriais para Impress?o 3D[J]. ACS Biomaterials Science & Engineering, 2016.

[3] Vermeulen M, Claessens T, Van Der Smissen, Van Holsbeke, De Backer, Van Ransbeeck, Verdonck. Fabrica??o de modelos de vias aéreas opticamente acessíveis para pacientes específicos por modelagem de deposi??o fundida. Rapid Prototyping Journal 2013, 19 (5), 312?318.

[4] Bertrand P, Bayle F, Combe C, Goeuriot P, Smurov I. Fabrica??o de componentes ceramicos por sinteriza??o seletiva a laser. Aplic. Surfe. Sci. 2007, 254 (4), 989-992.

[5] Derby B. Impress?o 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 bioimpress?o 3D para produzir constru??es de tecido em escala humana com integridade estrutural. Nat. Biotecnologia. 2016, 34 (3), 312-319.

[7] Xiaoyu Du, Shengyang Fu, Yufang Zhu. Impress?o 3D de scafolds baseados em ceramica para engenharia de tecido ósseo: uma vis?o 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 regenera??o 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. Osseointegra??o de estruturas porosas de apatita-wollastonita e poli(ácido lático) compostas criadas usando técnicas de impress?o 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 Impress?o a jato de tinta de solu??es 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 Impress?o tridimensional de andaimes de vidro bioativo contendo estr?ncio para regenera??o óssea. Acta Biomater. 2014, 10 (5), 2269-2281.

[14] Andrea Mazzocchi, Mahesh Devarasetty, Richard Huntwork, Shay Soker, Aleksander Skardal. Otimiza??o da biotinta híbrida de colágeno tipo I-hyaluronan para microambientes hepáticos bioimpressos em 3D. Biofabrica??o, 2018, 11(1)：015003.