http://tede.mackenzie.br/jspui/bitstream/tede/3595/5/Andr%C3%A9%20da%20Silva%20Siqueira

Texto

(1)UNIVERSIDADE PRESBITERIANA MACKENZIE MESTRADO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS E NANOTECNOLOGIA. ANDRÉ DA SILVA SIQUEIRA. OBTENÇÃO DE SCAFFOLDS POLIMÉRICOS BASEADOS EM POLI(ÁCIDO LÁTICO), HIDROXIAPATITA E ÓXIDO DE GRAFENO UTILIZANDO O MÉTODO DE MANUFATURA ADITIVA POR “FUSED DEPOSITION MODELING”. SÃO PAULO 2018.

(2) ANDRÉ DA SILVA SIQUEIRA. OBTENÇÃO DE SCAFFOLDS POLIMÉRICOS BASEADOS EM POLI(ÁCIDO LÁTICO), HIDROXIAPATITA E ÓXIDO DE GRAFENO UTILIZANDO O MÉTODO DE MANUFATURA ADITIVA POR “FUSED DEPOSITION MODELING”. Dissertação apresentada ao programa de pósgraduação. em. Engenharia. de. Materiais. e. Nanotecnologia da Universidade presbiteriana Mackenzie como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia de Materiais e Nanotecnologia.. ORIENTADOR: PROF. DR. GUILHERMINO JOSÉ MACEDO FECHINE. SÃO PAULO 2018.

(3) S618. Siqueira, André da Silva Obtenção de scaffolds poliméricos baseados em poli(ácido lático), hidroxiapatita e óxido de grafeno utilizando o método de manufatura aditiva por “fused deposition modeling” / André da Silva Siqueira 104 f.: il.; 30 cm Dissertação (Mestrado em de Materiais e Nanotecnologia) - Universidade Presbiteriana Mackenzie, São Paulo, 2018. Orientador: Guilhermino José Macedo Fechine Bibliografia: f. 89-102. 1. Scaffold 2.Engenharia de tecidos 3.Óxido de Grafeno 4.Fused deposition modeling 5.Hidroxiapatita. I. Título. CDD 660.28 Bibliotecário Responsável: Maria Gabriela Brandi Teixeira – CRB 8/ 6339.

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(5) “A minha esposa Deise Lima da Silva”.

(6) AGRADECIMENTOS. Ao professor Guilhermino José Macedo Fechine, pela orientação, aos pesquisadores Pablo Muñoz, Leice Amurin e Camila Fernanda, pelo suporte, conhecimento e orientação que foi dado ao longo da execução deste trabalho..

(7) “Cada sonho que você deixa para trás é um pedaço do seu futuro que deixa de existir”.

(8) RESUMO. O presente trabalho visa obter e caracterizar um filamento compósito baseado em poli(ácido lático) (PLA), hidroxiapatita (HA) e óxido de grafeno, processá-lo por Fused deposition modeling (FDM), fabricar scaffolds para crescimento de tecido ósseo. Para alcançar esses objetivos fcompósitos de PLA/HA, PLA/GO e PLA/HA/GO com concentrações de 0,05%, 0,1% e 0,3% de GO e 30% de HA (em massa) foram preparados por meio de mistura no estado fundido e posteriormente processados por FDM. Comprovou-se a obtenção do óxido de grafite por técnicas de difração de raios-X (DRX), análise termogravimétrica e espectroscopia Raman. O PLA e os compósitos foram caracterizados por medidas de massa molar da matriz polimérica, espectroscopia no infravermelho e Raman, ensaios mecânicos de tração, medidas de ângulos de contato (energia de superfície), calorimetria exploratória diferencial (DSC) e ensaios reológicos. A inserção do GO no PLA e no compósito PLA/HA conduziu a melhorias das propriedades mecânicas (tração) dos materiais e também modificou significativamente as propriedades de superfície dos materiais estudados, sendo a concentração de 0,05% em massa a que apresentou melhor desempenho em ambas as características. Essas melhorias aconteceram devido à forte interação das folhas de GO com a matriz de PLA, o que indica que o processo de obtenção dos compósitos via estado fundido foi corretamente conduzido. Todas as composições PLA/HA/GO apresentaram características reológicas compatíveis com o processo de produção dos scaffolds via FDM. A inserção do GO na matriz de PLA e no compósito PLA/HA demonstrou-se ser extremamente promissora, e possivelmente aumentarão a variedade de aplicações dos biomateriais baseados em PLA/HA.. Palavras-chave: Poli(ácido lático), hidroxiapatita, óxido de grafeno, fused deposition modeling, scaffold..

(9) ABSTRACT. The present work aims to obtain and characterize a composite filament based on poly (lactic acid) (PLA), hydroxyapatite (HA) and graphene oxide, to process it by fused deposition modeling (FDM), and then make scaffolds for bone tissue growth and order to evaluate the properties of the obtained structure. To achieve these goals composite of PLA/HA, PLA/GO and PLA / HA / GO with concentrations of 0.05 wt %, 0.1 wt % and 0.3 wt % GO and 30 wt % HA were obtained by melt state blending and subsequently processed by FDM. The graphite oxide was obtained by modified Hummers method and characterized by X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric analysis and Raman spectroscopy. The PLA and composites were characterized by molar mass measurements, infrared and Raman spectroscopy, tensile strength tests, contact angle measurements (surface energy), differential scanning calorimetry (DSC) and rheological tests. The insertion of GO into PLA and PLA/HA composites led to improvements in the mechanical properties (tensile) and also modified significantly the surface properties of the materials and the composition with 0.05 wt % of GO has shown the better results in both characteristics. These improvements occurred due to the strong interaction of the GO sheets with the PLA matrix that indicates the process of obtaining the composites via the melting state was correctly conducted. All PLA / HA / GO compositions presented rheological characteristics compatible with of scaffolds production process via FDM. The insertion of the GO into the PLA matrix and the PLA / HA composite has been shown to be extremely promising, and possibly to increase the variety of PLA / HA based biomaterials application.. Key words: Poly (lactic acid), hydroxyapatite, graphene oxide, fused deposition modeling, scaffold ..

(10) LISTA DE FIGURAS Figura 1- Resumo da técnica de produção de scaffolds............................................................ 19 Figura 2- Representação dos enantiômeros do ácido lático ..................................................... 24 Figura 3- Representação dos estereoisômeros do lactato. ........................................................ 25 Figura 4- Célula unitária da hidróxipatita................................................................................. 26 Figura 5 – Esquema de eletrofiação ......................................................................................... 28 Figura 6 - Esquema do processo (SLA).................................................................................... 30 Figura 7- Esquema do processo (SLS). .................................................................................... 31 Figura 8 - Esquema do processo (3DP) .................................................................................... 32 Figura 9- Esquema do processo (FDM) .................................................................................. 33 Figura 10- Esquema de cabeçote de extrusão FDM. ................................................................ 35 Figura 11 – Representação esquemática do grafeno ................................................................ 37 Figura 12 – Representação esquemática da obtenção do GO e rGO ........................................ 39 Figura 13 – representação esquemática do óxido de grafeno ................................................... 42 Figura 14– Estruturas dos compósitos e nanocompósitos poliméricos: (a) microcompósito agregado, (b) nanocompósito intercalado, (c) nanocompósito exfoliado. ................................ 46 Figura 15- Esquema do processo de deposição sólido/sólido. ................................................. 50 Figura 16– Representação esquemática sistema placa-placa ................................................... 55 Figura 17– Geração da estrutura Gyroid .................................................................................. 57 Figura 18– Impressora utilizada para a produção dos scaffolds ............................................... 57 Figura 19 - Espectro no infravermelho do PLA não processado. ............................................. 60 Figura 20 - Espectro Raman do PLA não processado. ............................................................. 60 Figura 21 - Espectro no infravermelho da HA. ........................................................................ 61 Figura 22- Espectro no Raman da HA...................................................................................... 62 Figura 23 - Difratograma de raios-X da HA............................................................................. 63 Figura 24– Espectro Raman do grafite de partida e do GrO obtido ......................................... 64 Figura 25 – Difratograma de raios-X do GrO .......................................................................... 65 Figura 26 - Curvas TGA do Grafite e GrO .............................................................................. 66 Figura 27 – Espectros no infravermelho para amostras de PLA processado e compósitos com HA e/ou GO. ............................................................................................................................. 68 Figura 28– Espectros Raman para amostras de PLA processado e compósitos com HA e GO. .................................................................................................................................................. 70.

(11) Figura 29 – As curvas obtidas pelas análises de DSC na primeira corrida de aquecimento para as amostras de PLA puro e compósitos GO (a) e compósitos com HA e HA/GO (b). ............ 72 Figura 30- (a) variação no módulo elástico do PLA puro e dos compósitos PLA/GO, (b) variação no módulo elástico dos compósitos PLA/HA e PLA/HA/GO ................................... 75 Figura 31 (a) Resistência a tração do PLA puro e dos compósitos PLA/GO, (b) variação no resistência a tração dos compósitos PLA/HA e PLA/HA/GO ................................................. 76 Figura 32-(a) Deformação máxima do PLA puro e dos compósitos PLA/GO, (b) deformação máximados compósitos PLA/HA e PLA/HA/GO .................................................................... 77 Figura 33 – Valores de ângulo de contato para água e etileno glicol do PLA puro e compósitos. ............................................................................................................................... 79 Figura 34 – Valores de energia de superfície do PLA puro e compósitos. .............................. 79 Figura 35 - Curvas reológicas (a) G’ em função de temperatura do PLA comercial e PLA puro (b) G” em função de temperatura do PLA comercial e PLA puro. .......................................... 81 Figura 36 (a) - Gráfico G’ em função da temperatura (ºC) do PLA comercial e compósitos PLA/GO e 31 (b) Gráfico G” em função da temperatura (ºC) do PLA comercial e compósitos PLA/GO. ................................................................................................................................... 82 Figura 37 (a) - Gráfico G’ em função da temperatura (ºC) do PLA comercial e compósitos PLA/GO e 33 (b) Gráfico G” em função da temperatura (ºC) do PLA comercial e compósitos PLA/GO. ................................................................................................................................... 83 Figura 38- Gráfico de ƞ em função da taxa de cisalhamento (1/s) do PLA comercial, compósitos PLA/HA e PLA/HA/GO. ...................................................................................... 84 Figura 39 - Gráfico de ƞ em função da taxa de cisalhamento (1/s) do PLA comercial, compósitos PLA/HA e PLA/HA/GO. ...................................................................................... 85 Figura 40– Interface do software CLIEVER STUDIO®. ......................................................... 86 Figura 41 – Cabeçotes de impressão produzindo os scaffolds. ................................................ 87 Figura 42 – Scaffolds produzidos por FDM a partir dos compósitos processados. .................. 87.

(12) LISTA DE QUADROS. Quadro 1 - Resumo das características dos scaffolds. .............................................................. 22 Quadro 2- comparação entre os biopolímeros. ......................................................................... 23 Quadro 3 - Comparativo dos processos de MA aplicados em scaffolds. ................................. 36 Quadro 4 – Aplicações do grafeno ........................................................................................... 41.

(13) LISTA DE TABELAS. Tabela 1 Composições obtidas ................................................................................................. 51 Tabela 2- Massas molares média numérica (. ) e ponderal (. ) e polidispersão (. ). do PLA não processado e processado na presença ou não da HA e/ou GO. ............................ 67 Tabela 3– Resultados de Tg, Tc, ΔHc, Tm, ΔHm e Xc dos materiais DSC. ................................ 71 Tabela 4 – Resultados dos ensaios de tração para o PLA puro e compósitos. ......................... 73 Tabela 5 – Parâmetros de processamento utilizados na produção dos scaffolds. ..................... 86.

(14) LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIAÇÕES. FDM. Deposição de material fundido. SLS. Sinterização seletiva a laser. SLA. Estereolitografia. UV. Ultravioleta. 3DP. Impressão em três dimensões. MA. Manufatura aditiva. HA. Hidroxiapatita. PLA. Poli(ácido lático). CVD. Deposição química a vapor. DRX. Difração de Raios-X. DSC. Calorimetria Exploratória Diferencial. FTIR. Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier. ATR. Modo de reflectância atenuada. Gr-O. Óxido de grafite. GO. Óxido de grafeno. rGO. Óxido de grafeno reduzido. TGA. Análise Termogravimétrica Massa molar média numérica Massa molar média ponderal. E. Módulo de Elasticidade. Tg. Temperatura de transição vítrea. Tc. Temperatura de cristalização. Tm. Temperatura de fusão cristalina. ΔHmº. Entalpia padrão de fusão. ΔHm. Entalpia de fusão. ΔHc. Entalpia de cristalização. G’. Módulo de armazenamento. G”. Módulo de perda. Ƞ. Viscosidade. Ẏ. Taxa de cisalhamento.

(15) SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO........................................................................................................... 16. 1.1. OBJETIVOS ............................................................................................................... 17. 1.1.1 Objetivo Geral ............................................................................................................. 17 1.1.2 Objetivos específicos ................................................................................................... 17 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 18. 2.1. ENXERTOS ÓSSEOS .............................................................................................. 18. 2.2. ENGENHARIA DE TECIDOS ............................................................................... 18. 2.3. SCAFFOLDS PARA CRESCIMENTO DE TECIDOS ÓSSEOS .................... 20. 2.3.1 Biomateriais Poliméricos para aplicações biomédicas ............................................ 22 2.3.2 Poli(ácido lático) (PLA) .............................................................................................. 24 2.3.3 Biomateriais Cerâmicos ............................................................................................. 25 2.3.4 Materiais compósitos utilizados em aplicações biomédicas .................................... 26 2.3.5 Métodos utilizados para produção de scaffolds ....................................................... 27 2.4. TÉCNICAS DE MANUFATURA ADITIVA ...................................................... 28. 2.4.1 Estereolitografia (SLA) .............................................................................................. 29 2.4.2 Sinterização seletiva a LASER (SLS) ....................................................................... 30 2.4.3 Impressão 3D (3DP) .................................................................................................... 31 2.4.4 Modelagem por Deposição de Material Fundido (FDM) ........................................ 32 2.5. MANUFATURA ADITIVA NA PRODUÇÃO DE SCAFFO LDS .................. 36. 2.6. GRAFENO E DERIVADOS ................................................................................... 37. 2.6.1 Grafeno ........................................................................................................................ 37 2.6.2 Métodos de obtenção do grafeno ............................................................................... 38 2.6.3 Propriedades do grafeno ............................................................................................ 41 2.6.4 Aplicações do grafeno ................................................................................................. 41 2.6.5 Óxido de grafeno (GO) ............................................................................................... 42.

(16) 2.7. UTILIZAÇÃO. DO. ÓXIDO. GRAFENO. COMO. FACILITADOR. NA. ADESÃO E PROLIFERAÇÃO CELULAR ..................................................................... 42 2.8. NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS ............................................................... 43. 2.8.1 Métodos de obtenção de nanocompósitos ................................................................. 44 3. MATERIAIS E MÉTODOS ...................................................................................... 47. 3.1. SÍNTESE DO ÓXIDO DE GRAFENO - GO ...................................................... 48. 3.1.2 Oxidação do grafite..................................................................................................... 48 3.1.3 Esfoliação de óxido de grafite para óxido de grafeno .............................................. 48 3.2. Processamento dos compósitos por mistura no estAdo fundido ............................ 49. 3.2.1 Preparação do PLA .................................................................................................... 49 3.2.2 Extrusão dos materiais ............................................................................................... 49 3.2.3 Caracterização do GrO .............................................................................................. 51 3.2.4 Caracterização do PLA e compósitos ....................................................................... 52 3.3. PROCESSAMENTO DOS SCAFFOLDS POR FDM ........................................ 56. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................................ 59. 4.1. CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS NÃO PROCESSADOS ................ 59. 4.1.1 Caracterização do PLA não processado ................................................................... 59 4.1.2 Caracterização da HA não processada ..................................................................... 61 4.1.3 Caracterização do GO ................................................................................................ 63 4.2. CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAS PROCESSADOS ............................ 66. 4.2.1 Determinação de massa molar ................................................................................... 67 4.2.2 Espectroscopia (FTIR – ATR) ................................................................................... 68 4.2.3 Espectroscopia Raman ............................................................................................... 69 4.2.4 Calorimetria exploratória diferencial ....................................................................... 70 4.2.5 Ensaios mecânicos de tração ...................................................................................... 73 4.2.6 Ângulo de contato e energia livre de superfície ....................................................... 78.

(17) 4.2.7 Ensaios reológicos ....................................................................................................... 80 4.2.8 Processamento dos scaffolds por FDM ..................................................................... 85 5. CONCLUSÕES ........................................................................................................... 88. REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 89.

(18) 16. 1. INTRODUÇÃO. A Manufatura Aditiva (MA), também chamada de Impressão 3D, ou prototipação rápida, consiste em um conjunto de técnicas que permitem produzir peças tridimensionais através da deposição de finas camadas de material. A adição das camadas resulta na criação de formas complexas e singulares, feitas sob medida para cada aplicação. Essas técnicas possuem desperdício mínimo de material, alta eficiência energética e obtém boa precisão geométrica sem a necessidade de pós-processamento (HUANG; LIU; MOKASDAR, 2013). Dentro dos sistemas de MA, a impressão por “Fused Deposition Modeling” (FDM) é a mais utilizada para materiais poliméricos. Entre suas aplicações mais promissoras está seu uso na engenharia de tecidos, onde partindo de uma tomografia computadorizada é possível projetar uma matriz customizada para regeneração de tecidos ósseos denominados scaffold. Os principais requisitos para a fabricação de scaffolds são a biocompatibilidade, resistência mecânica, capacidade de vascularização e adesão celular. O scaffold pode ser produzido por vários materiais, podendo ser poliméricos, cerâmicos, metálicos ou compósitos (YAO et al., 2015). Os polímeros utilizados na fabricação de scaffolds devem ser bioabsorvíveis e, para melhorar suas propriedades mecânicas, é comum o emprego de cargas cerâmicas resultando em compósitos de alto desempenho (BOSE; ROY; BANDYOPADHYAY, 2012). As cargas cerâmicas aplicadas devem também ser biocompatíveis e dentre elas destaca-se a hidroxiapatita (HA). Esta é um biocerâmico que possui composição química similar ao tecido ósseo resultando em excelente biocompatibilidade e bioatividade (TAVARES, 2014). Embora os estudos revelarem avanços, ainda existe melhorias a serem alcançadas como o aumento na resistência mecânica, e o favorecimento da proliferação e diferenciação celular (ARYAEI; JAYATISSA; JAYASURIYA, 2014). Porém com o advento do grafeno, surgiu uma vasta gama de possibilidades do emprego deste novo material nesta área específica. Devido as suas propriedades únicas, o grafeno e seus derivados, como o óxido de grafeno (GO) e óxido de grafeno reduzido (rGO), vêm se destacando como materiais promissores para vários campos da ciência, tecnologia e diferentes ramos da engenharia. Desde 2008 o potencial do grafeno tem sido exaustivamente estudado em aplicações biomédicas, (ARYAEI; JAYATISSA; JAYASURIYA, 2014). Entre suas aplicações, o GO pode ser utilizado como reforço mecânico e agente facilitador da adesão celular nos scaffolds para regeneração de tecido ósseo. A utilização dos derivados de grafeno em sistemas de MA é recente, e foi citada pela primeira vez por Xiaojun Wei e colaboradores em 2015 enquanto.

(19) 17. outros trabalhos já demostraram a eficiência do GO na melhora da adesão celular em culturas in vitro (WEI et al., 2015; KIM et al, 2013). Embora muitos avanços alcançados recentemente, os compósitos a base de GO ainda não possuem técnicas de processamento e dispersão facilmente reprodutíveis em escala industrial. Outro fator que permanece sendo muito pesquisado é a interação biológica destes compósitos que permanece como centro de muitas discussões no meio acadêmico.. 1.1. OBJETIVOS. 1.1.1 Objetivo Geral. Obter e caracterizar filamentos baseados em compósitos formados por poli(ácido láctico) (PLA), hidroxiapatita (HA) e óxido de grafeno (GO) para serem usados em FDM com intuito de produzir scaffolds para o crescimento de tecido celular ósseo.. 1.1.2 Objetivos específicos. Para que o objetivo geral desse trabalho seja atingido, algumas metas precisaram ser cumpridas: - Síntese e caracterização do óxido de grafite, material precursor do óxido de grafeno; - Preparação de dispersões de óxido de grafeno em etanol; - Obtenção dos compósitos de PLA com óxido de grafeno e/ou hidroxiapatita por meio de mistura no estado fundido, usando uma extrusora de dupla rosca; - Caracterização dos compósitos de PLA com óxido de grafeno e/ou hidroxiapatita para a obtenção de informações sobre propriedades mecânicas (tração), propriedades térmicas (TGA, DSC), estrutura química (espectroscopia no infravermelho e Raman) e propriedades de superfície (ângulo de contato); - Utilização dos filamentos na impressora FDM para a produção dos scaffolds..

(20) 18. 2. 2.1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. ENXERTOS ÓSSEOS. Todos os anos, milhões de pessoas apresentam defeitos ósseos decorrentes de doenças relacionadas a tumores ou outros traumas no tecido ósseo e muitas vezes o único tratamento possível baseia-se na utilização de enxertos ósseos. Tais procedimentos são frequentemente utilizados na regeneração óssea sendo empregados nas mais diversas especialidades médicas como, ortopedia, oncologia, cirurgia plástica e, na área odontológica, na implantodontia e na cirurgia bucomaxilafacial (AMARAL, 2013). Atualmente existem quatro tipos de enxertos ósseos com resultados comprovados e que podem ser utilizados de acordo com o caso de cada paciente. Os principais são os enxertos autógenos (tecido ósseo do próprio paciente), alógenos (outro indivíduo da mesma espécie), xenógenos (retirados de uma espécie e transplantados para outra) e enxertos realizados com materiais de tecido sintético (PINTO et al., 2007). Os materiais utilizados em enxertos ósseos podem ser classificados em relação às propriedades biológicas que apresentam quando instalados no leito receptor. Essas propriedades são a osteocondução, osteindução e osteogênese (DINOPOULOS, 2012). A osteocondução é a capacidade do implante em auxiliar a cicatrização, permitindo a infiltração vascular e a migração interna de elementos celulares envolvidos na formação do osso como células mesenquimais indiferenciadas, osteoblastos e osteoclastos. A osteocondução parece ser maximizada em dispositivos que imitam não só a estrutura física do osso, mas também composição química do mesmo (GIANNOUDIS, 2005). A osteoindução é o processo pelo qual células mesenquimais indiferenciadas e células osteoprogenitoras são induzidas a diferenciarem-se em osteoblastos após exposição a moléculas presentes no enxerto A osteogênese é a formação de novo osso a partir de células mesenquimais indiferenciadas e células osteoprogenitoras vivas provenientes do implante ou oriundas do hospedeiro (DIMITRIOU, 2005).. 2.2. ENGENHARIA DE TECIDOS. O uso de enxertos autógenos é limitado por ser uma fonte esgotável e por ter sua qualidade dependente da idade e das condições gerais do indivíduo (ZABEU; MERCADANTE, 2008). Por esse motivo as terapias atuais muitas vezes se utilizam de.

(21) 19. substitutos sintéticos. No entanto, estes materiais possuem algumas limitações como o risco de rejeição e deficiência nas propriedades dos materiais utilizados nos implantes. As limitações acima mencionadas conduziram pesquisas dedicadas ao desenvolvimento de tecidos sintéticos mais funcionais (SWETHA et al., 2010). Essa nova ciência foi denominada “Engenharia de Tecidos”, ramo da engenharia biomédica focado no desenvolvimento de tecidos artificiais, podendo ser aplicada à produção de pele artificial, cartilagens e tecidos ósseos. No que diz respeito à regeneração de tecidos ósseos, esta pode ser realizada através da coleta de células do próprio paciente, do cultivo dessas células em um suporte biocompatível (scaffold), e seu posterior implante no paciente conforme ilustra a Figura 1. O desenvolvimento desses materiais utiliza técnicas multidisciplinares, e agrupam conhecimentos em medicina, biologia e engenharia de materiais (TAVARES, 2014, RATNER et al.,2004). De acordo com Barbanti, Zavaglia e Duek (2005) a preparação de scaffolds para a regeneração de tecidos ósseos segue as seguintes etapas: . Seleção e processamento do scaffold;. . Inoculação da população celular sobre o scaffold;. . Crescimento do tecido prematuro;. . Crescimento do tecido maturado em sistema fisiológico (biorreator);. . Implante cirúrgico:. . Assimilação do material pelo organismo.. Figura 1- Resumo da técnica de produção de scaffolds..

(22) 20. 2.3. SCAFFOLDS PARA CRESCIMENTO DE TECIDOS ÓSSEOS. Para suprir as necessidade e limitações associadas à utilização clínica de enxertos ósseos, os estudos em engenharia de tecidos têm sido cada vez mais empregados esforços na criação de biomateriais sintéticos. Uma das estratégias mais promissoras consiste no desenvolvimento de implantes que permitam a proliferação celular e que se degradem gradualmente durante a regeneração dos tecidos, essas estruturas denominam-se scaffolds (TAVARES, 2014, IKADA, 2006). Os scaffolds devem ser tridimensionais, biocompatíveis, utilizados como suporte temporário para o crescimento de tecidos em regeneração. Estas estruturas devem imitar as propriedades da matriz extracelular (FONTES, 2010). Em virtude de os ossos serem formados por tecido tridimensional ativo, os scaffolds proporcionam ambiente favorável para a proliferação celular e crescimento da nova matriz óssea. 1. No caso da regeneração óssea o scaffold atua como osteocondutor. proporcionando uma estrutura física de suporte para infiltração de células osteoprogenitoras (crescimento de novo tecido ósseo) e endoteliais (vascularização). Existe ainda o processo de osteogénese, onde o scaffold osteocondutor é implantado com células viáveis capazes de formar osso (RATNER et al., 2004). Para a produção de scaffolds aplicados na regeneração óssea, alguns requisitos devem ser observados. Os scaffolds que se demonstram mais adequados são feitos de materiais osteocondutores e osteoindutores que possuam propriedades similares às do tecido ósseo, isso facilita a infiltração celular e promove a osteogênese (ROMAGNOLI; BRANDI, 2014). Portanto para uma aplicação eficiente dos scaffolds algumas características físicas e biológicas fundamentais devem ser apreciadas, como biocompatibilidade, biodegradabilidade, porosidade e capacidade de adesão celular O termo “biocompatibilidade” se traduz na capacidade do biomaterial e dos seus produtos de degradação não provocarem uma resposta inflamatória no paciente, nem demonstrarem. imunogenicidade. nem. citotoxicidade,. ou. apresentarem. tendências. carcinogênicas, ou seja, devem possuir resposta tecidual adequada ao sistema do hospedeiro (WILLIAMS, 2008). Quanto a taxa de biodegradação, esta deve ser ajustada ao tecido de forma a garantir o suporte estrutural necessário para a regeneração completa do tecido em questão, bem como sua total degradação (COSTA-PINTO; REIS; NEVES, 2011; FONTES, 2010; IKADA, 2006). Sua estrutura deve ser e interligada através da associação de macro e microporos, facilitando o crescimento do tecido, a vascularização e melhora o transporte de.

(23) 21. nutrientes. Contudo, uma elevada porosidade reduz significativamente as propriedades mecânicas,. o que põe. em. causa a sua integridade. mecânica. (BOSE;. ROY;. BANDYOPADHYAY, 2012; NAVARRO et al., 2008; LIU; MA, 2004). Outro fator importante são as dimensões do poro, que estão diretamente relacionadas com a vascularização, uma vez que poros de tamanho maior estimulam diretamente a osteogênese. Por outro lado, os poros menores têm mais dificuldades de vascularização (COSTA-PINTO; REIS; NEVES, 2011; IKADA, 2006). As propriedades mecânicas dos scaffolds devem ser adequadas para suportar tensões existentes durante os procedimentos cirúrgicos, e posteriormente ao ambiente onde o será implantado, garantindo assim, adequação estrutural para o desenvolvimento das atividades normais do paciente. As características mecânicas devem ser semelhantes às do tecido nativo destacando-se a rigidez e a resistência às tensões sofridas in vivo até que o novo tecido formado ocupe a matriz do scaffold (FONTES, 2010). Sua superfície deve ser adequada para permitir o processo de adesão celular que é uma fase crucial em muitos processos e principalmente no reparo de tecidos. Em resumo, quando uma lesão óssea é criada, o sangue penetra no osso formando coágulos que caracterizam a primeiro passo do processo de cicatrização. No entanto, em caso de lesão crítica, exige tratamento biomédico em que a cavidade será preenchida com diferentes compostos naturais ou sintéticos específicos que favorecerão a osteointegração. Neste caso, a hidroxiapatita é usada com sucesso como material componente dos scaffolds para atingir esse objetivo de forma mais rápida. A superfície é então colonizada por células ósseas aderentes, dando sequência ao processo de regeneração (ZANCHETTA, GUEZENNEC, 2001). Nos casos em que há necessidade de enxertos ósseos sintéticos, para que a regeneração da matriz extracelular óssea ocorra, as características químicas superficiais como suas capacidades de umectação têm um papel fundamental, o que torna comum a aplicação de tratamentos superficiais. que. melhoram. a. adesão. BANDYOPADHYAY, 2012; FONTES, 2010).. celular. (ALVES,. 2013;. BOSE;. ROY;.

(24) 22. Quadro 1 - Resumo das características dos scaffolds. Função do scaffold. Característica adequada à função do scaffold. Evitar resposta inflamatória de toxicidade in vivo.. Biocompatível, atóxico e não carcinogênico.. Promover o crescimento de tecidos e órgãos.. Formato tridimensional.. Semear elevada quantidade de células. Permitir adesão, proliferação e diferenciação celular.. Alta porosidade e alta conectividade entre poros, Superfície química apropriada.. Promover proliferação e migração celular e conduzir ao crescimento do tecido ao longo do de sua estrutura. Tamanho de poros apropriados para permitir a penetração entre as células e interconectividade.. Dirigir e orientar as células da matriz extracelular para a formação de novo tecido.. Orientação certa das fibras dentro do scaffold.. Permitir o movimento de nutrientes dentro e fora do scaffold.. Alta porosidade e interconectividade entre os poros.. Degradação da scaffold com permanência apenas do tecido natural. Integridade estrutural in vivo suficiente, com tensão mecânica adequada para apoiar o tecido em desenvolvimento de forma a resistir a forças in vivo.. Taxa de degradação do scaffold não-tóxica nem inflamatória in vivo. Propriedades mecânicas do scaffold iguais às do tecido em desenvolvimento.. Fonte: Edwards 2004 (adaptado).. Os avanços tecnológicos no desenvolvimento e aperfeiçoamento de scaffolds para medicina regenerativa permitem o uso de diferentes tipos de biomateriais naturais e sintéticos, adaptados para instituir um ambiente natural tridimensional adequado que sustente as condições necessárias para o crescimento e reorganização tecidual. Para melhorar propriedades seletivas, tais como biocompatibilidade, funcionalidade e resistência mecânica, frequentemente são aplicadas modificações na estrutura e composição dos scaffolds (ALVES, 2013). Os componentes sintéticos utilizados na produção de scaffolds podem ser cerâmicos, poliméricos, ou compósitos, cada qual com sua contribuição para a regeneração do tecido em questão (TAVARES, 2014).. 2.3.1 Biomateriais Poliméricos para aplicações biomédicas. Materiais poliméricos usualmente apresentam baixa densidade, baixa resistência a altas temperaturas, baixa condutividade elétrica e térmica (JHANO, 2005). Dentre os materiais utilizados como implantes, os polímeros apresentam grande potencial de uso, pois são, geralmente, fáceis de processar, manusear e apresentam características mecânicas semelhantes aos dos materiais biológicos. Os materiais poliméricos são.

(25) 23. amplamente usados em dispositivos biomédicos, para ortopedia, substitutos de tecidos moles ou duros e implantes cardiovasculares, e constituem a maior classe de biomateriais. Esses polímeros podem ter origem de fontes naturais ou podem ser obtidos a partir de processos de síntese orgânica (BARBANTI; ZAVAGLIA; DUEK, 2005). Atualmente o foco das pesquisas de polímeros para engenharia de tecidos volta-se para o desenvolvimento de biopolímeros reabsorvíveis, onde o tempo e mecanismo de degradação das cadeias poliméricas podem ser controlados (NAVARRO et al., 2008). A degradação de polímeros como o poli(ácido lático) (PLA), poli(ácido glicólico) (PGA) e policaprolactona (PCL) (Quadro 2), produzem monômeros que são eliminados por rotas metabólicas quando presentes no ambiente in vivo, o que permite sua biocompatibilidade. Por exemplo, a degradação do PLA resulta na produção de ácido lático, que é uma biomolécula naturalmente existente no organismo humano. Entretanto, apesar de apresentarem boas propriedades mecânicas inicias, a resistência dos biopolímeros rapidamente. decai. durante. o. processo. de. biodegradação. (BOSE;. ROY;. BANDYOPADHYAY, 2012).. Quadro 2- comparação entre os biopolímeros. Módulo de Polímero. Fórmula. Tg (Cº). Tm (Cº). elasticidade (GPa). Tempo para completa degradação (meses). Poli(ácido glicólico). 35-40. 225/230. 8,4. 6-12. Poli(L-ácido lático). 60-65. 173/178. 4,8. >24. Poli(ε-caprolactona). -65/-60. 58/63. 0,4. 24-36. Fonte: BARBANTI; ZAVAGLIA; DUEK, 2005 (adaptado)..

(26) 24. 2.3.2 Poli(ácido lático) (PLA). Para o presente trabalho o PLA foi escolhido devido as suas propriedades mecânicas, facilidade de processamento (inclusive por FDM), dispersão de cargas e também devido a sua bioabsorção. O ácido lático foi descoberto pelo cientista sueco Scheel em 1780, sendo foi inicialmente isolado a partir do leite. Em 1881 o cientista francês Fremy produziu ácido lático por fermentação e isso deu conduziu a sua produção em escala industrial (LUCKACHAN; PILLAI, 2011). Quimicamente é um ácido orgânico com um carbono assimétrico (centro quiral) que possui dois enantiômeros: L(+), D(-) (Figura 2) e um DL racêmico que pode ser obtido através de síntese química (ZHOU et al., 2003).. Figura 2- Representação dos enantiômeros do ácido lático. Fonte: WINDHOLZ, et al., 1976 (adaptado). Pode ser obtido em metabolismo fermentativo por muitas espécies de microrganismos e é muito utilizado como precursor na fabricação de polímeros (OHARA e YAHATA, 1996). O PLA é geralmente sintetizado pela técnica de policondensação do ácido D- ou L-lático (Figura 3) ou pela polimerização via abertura de anel do lactato, um dímero cíclico do ácido láctico (PANG et al., 2010), sendo o último sistema o que produz PLA com elevados valores de massa molar. É um polímero com caráter hidrofóbico devido à presença de grupos laterais CH3. Dentre outros biopolímeros apresenta certa resistência a hidrólise devido ao efeito de blindagem estérica dos grupos laterais de metila. A temperatura de transição vítrea (Tg) típica para PLA comercial é de 58,5 ° C, seu módulo elástico é de 3,5 GPa, seu alongamento à ruptura médio é de 4% e sua tensão na ruptura é de 52 MPa (AURAS; HARTE; SELKE, 2004; BRIASSOULIS, 2004; PANG ET AL., 2010; GARLOTTA, 2001)..

(27) 25. Figura 3- Representação dos estereoisômeros do lactato.. Fonte: PANG et al., 2010 (adaptado). Devido à sua biorresoabsorção, biodegradação e biocompatibilidade com o corpo humano, o PLA foi aprovado pela FDA (US Food and Drug Administration), tornandose muito utilizado na área biomédica desde os anos 70 (JHANO, 2012; REZWAN et al., 2006). No corpo humano, sofre degradação hidrolítica via mecanismo de erosão em massa pela cisão aleatória das ligações éster. Degrada-se em ácido lático no corpo humano, produzindo água e dióxido de carbono via ciclo de Krebs (LEAL et al., 2015). Sua boa resistência à tração e seu alto módulo de elasticidade o torna um excelente biomaterial para aplicações de suporte de carga, como em dispositivos de fixação ortopédica (NAIR; LAURENCIN, 2007). No entanto, sua capacidade de interação com células e suas propriedades mecânicas ainda precisam ser melhoradas (GUO et al., 2012). Apesar de possuir um tempo longo de degradação (acima de 24 meses), apresenta uma perda acentuada de propriedades mecânicas nas primeiras semanas. Por essa razão, a inserção de cargas de reforço torna-se necessária para manter sua integridade mecânica durante os processos de degradação e reabsorção (LEAL et al., 2015).. 2.3.3 Biomateriais Cerâmicos. Os primeiros estudos sobre a utilização de materiais cerâmicos como biomateriais iniciaram na década de 1930, onde Albee utilizou uma cerâmica de fosfato tricálcico para regenerar um defeito ósseo. Entretanto, somente em meados da década de 1980 diferentes tipos de cerâmicas de fosfato de cálcio surgiram como materiais implantáveis para aplicações medicinais e odontológicas (COSTA et al., 2009). Entre as cerâmicas com melhor desempenho, estão os biovidros, a alumina, o beta-fosfato tricálcico (β-TCP) e a hidroxiapatita (HA) (Figura 4), e suas aplicações incluem.

(28) 26. implantes para quadris, joelhos, dentes, tendões e ligamentos e preenchimento ósseo após cirurgia de remoção de tumores (HENCH, 1991). O alto grau de biocompatibilidade da HA está relacionada com a sua similaridade na composição e estrutura da fase inorgânica do tecido ósseo. Sendo que a HA é formada pelo fosfato de cálcio cristalino Ca10(PO4)6(OH)2, e representa cerca de 99% do cálcio e 80% do fósforo total presentes no corpo humano (CHEN et al., 2008).. Figura 4- Célula unitária da hidróxipatita. Fonte: REN; LU; LENG, 2013. Uma das propriedades principais da hidroxiapatita é ser bioativa, conseguindo interagir com as estruturas ósseas e incentivar o crescimento do osso, o que possibilita sua utilização em implantes ortopédicos (COSTA et al., 2009). Ao revestir uma prótese metálica, por exemplo, com hidroxiapatita espera-se que quando em contato com tecidos vivos, haja interação entre estes e o implante, conduza à formação de um novo tecido ósseo em torno do implante, promovendo a osteointegração (TIAN et al., 2008).. 2.3.4 Materiais compósitos utilizados em aplicações biomédicas. Os compósitos são materiais cuja composição contém pelo menos duas fases diferentes de materiais das classes convencionais (metais, cerâmicos e polímeros). No caso de compósitos preparados com intenção de melhorias em propriedades mecânicas, a fase matriz se encarrega da ocupação do volume e da transposição de carga para a fase dispersa, que é mais rígida e resistente (MANO et al., 2004). São normalmente empregados quando a aplicação necessita da combinação de propriedades que não podem ser obtidas se os materiais forem isoladamente utilizados (RATNER et al., 2004)..

(29) 27. No caso de compósitos usados em aplicações biomédicas, vê-se o uso de biocerâmicos e vidros como fase dispersa por conduzirem a melhorias na resistência mecânica, e materiais poliméricos como matriz, por que ainda desempenham um papel crucial no fornecimento de estabilidade mecânica e em alguns casos por serem bioabsorvíveis. Porém, em alguns casos devido à sua fragilidade são propícios a falhas (CHEN et al., 2008). Do ponto de vista biológico e da ciência dos materiais, faz sentido combinar polímeros e biocerâmicos para produzir compósitos para engenharia de tecido ósseo, pois o osso é o resultado da combinação de um polímero natural e de uma apatite biológica (CHEN et al., 2008).. 2.3.5 Métodos utilizados para produção de scaffolds. O método utilizado na manufatura do scaffold determina propriedades chave, como porosidade, tamanho do poro e forma tridimensional. Ao se escolher um método de produção é importante considerar as propriedades desejadas e verificar a possibilidade de efeitos adversos em propriedades mecânicas, na biocompatibilidade entre outras (EDWARDS, 2004). As primeiras técnicas empregadas na elaboração de scaffolds foram empregadas através da formação de espumas, liofilização, evaporação de solvente/lixiviação de partículas e a separação de fase (LIU; MA, 2004). Porém esses métodos possuem pouca capacidade de controlar com precisão o tamanho, geometria, interconectividade e a distribuição dos poros no espaço, ou apresentam dificuldade na construção de canais internos dentro dos scaffolds (ZHU et al., 2013). Com o progresso da tecnologia surgiram novas metodologias que têm sido recentemente desenvolvidas na engenharia de tecidos como uma alternativa aos métodos convencionais de fabricação de scaffolds, dentre elas destacam-se a eletrofiação, e as técnicas de manufatura aditiva (ZHU et al., 2013).. 2.3.5.1 Eletrofiação. Este é um método simples, aplicado por diversas áreas para a obtenção de estruturas formadas por fibras. Nele, um jato de solução polimérica dispersa em um solvente é eletricamente carregado ao sair de uma agulha metálica em direção a um coletor dotado de carga oposta. Durante a aceleração ao eletrodo, o jato polimérico dispensa-se em gotas que são deformadas pela eletrização, e sua a fase líquida se evapora. Isso resulta na solidificação.

(30) 28. de fibras delgadas que somadas produzem estruturas fibrosas de elevada área superficial, conforme ilustra a Figura 5. Essas estruturas imitam a matriz extracelular, o que torna esta técnica muito promissora para engenharia de tecidos. Os principais desafios associados são o controle da uniformidade e diâmetro das fibras, bem como sua taxa de produção e sua orientação. (TAVARES, 2014; BRAGHIROLLI, 2012). .. Figura 5 – Esquema de eletrofiação. Fonte: http://zach-tronstad-srp.weebly.com/blog/electrospinning-an-overview (adaptado).. 2.3.5.2 Manufatura aditiva. A manufatura aditiva consiste em técnicas de prototipagem rápida. A partir de um arquivo digital gerado por um software de desenho assistido por computador (CAD), ou outros dados digitais produzidos por equipamentos médicos geradores de imagens computadorizadas, para construir estruturas tridimensionais complexas. Uma das técnicas de prototipagem mais comum para fabricação de scaffolds é a deposição camada por camada de materiais (RATNER et al., 2004).. 2.4. TÉCNICAS DE MANUFATURA ADITIVA. Os sistemas de manufatura aditiva permitem um maior controle da forma tridimensional comparativamente aos métodos convencionais, sua construção é efetuada por camadas podendo assim garantir facilmente a interconectividade dos poros e a possibilidade de fabricar scaffolds de geometrias complexas e customizadas, além de apresentar desperdício mínimo de.

(31) 29. material e alta eficiência energética (BOSE, VAHABZADEH, BANDYOPADHYAY, 2013; HUANG; LIU; MOKASDAR, 2013 FONTES, 2010). Os métodos de manufatura aditiva têm se mostrado eficiente para aplicações em produções de baixo volume, na obtenção de peças pequenas. Em muitos casos seu custo é efetivamente menor quando comparado às peças desenvolvidas através de moldes de injeção, ou mesmo em máquinas de fabricação mecânica baseada em controle numérico computadorizado (CNC). Há alguns anos as peças produzidas por MA podiam apenas ser desenvolvidas em poli(acrilonitrila-butadieno-estireno) (ABS), mas em pouco tempo a gama de polímeros termoplásticos utilizados foi aumentando e hoje também é possível sua aplicação em polímeros termofixos, diversas blendas, compósitos, cerâmicos e até em materiais metálicos, tornando seu emprego possível na prototipagem, fabricação de peças industriais, calçados, ferramentas, próteses dentárias e ortopédicas (BERMAN, 2012). Dentre as técnicas de manufatura aditiva a stereolithography apparatus (SLA), a selective laser sintering (SLS), a 3D Print (3DP) e a fused deposition modeling (FDM) são as mais populares (AN et al., 2015).. 2.4.1 Estereolitografia (SLA). Consiste na solidificação de resinas líquidas fotossensíveis através da exposição à radiação ultravioleta (STANSBURY, 2016). A resina líquida fotopolimerizável está contida em um reservatório que possui uma plataforma móvel, recebe a emissão seletiva de radiação ultravioleta controlada por um software específico. Após uma camada de líquido receber radiação, ela se solidifica por polimerização. Em seguida, a plataforma é rebaixada décimos de milímetro e uma nova camada de líquido emerge, conforme demonstrado na Figura 6. O processo então se repete até que todas as camadas necessárias para a confecção da peça sejam solidificadas (LIRA; MAFALDA, 2013). Com o produto obtido, a massa de resina não utilizada é drenada para uso posterior, enquanto a peça é lavada para retirar o excesso de resina e finalmente uma pós-exposição de radiação UV é aplicada com o intuito de totalizar a cura do polímero. A definição da impressão varia em função da espessura das camadas de polímero solidificadas, ou seja, depende da distância que a plataforma é rebaixada por camada, e pode variar de 200 µm em resoluções menores até 50 µm em altas resoluções (STANSBURY, 2016; LIRA, MAFALDA, 2013). Entre os processos de prototipagem 3D este é o mais rápido. Entretanto só trabalha com resinas fotossensíveis e possui alto custo (WU; HSU 2015)..

(32) 30. Figura 6 - Esquema do processo (SLA). Fonte: http://www.custompartnet.com/wu/stereolithography (Adaptado). 2.4.2 Sinterização seletiva a LASER (SLS). Esta técnica utiliza um feixe de laser de alta potência tipo CO2, para fundir de forma seletiva materiais em pó, tais como polímeros, metais e cerâmicos (WU; HSU 2015; HUANG; LIU; MOKASDAR, 2013). Frente à emissão do laser as partículas de pó se liquefazem e formam uma camada homogênea com menos de 100 µm de espessura. Ao resfriar, a camada fundida se solidifica numa película rígida (STANSBURY, 2016). As peças são construídas sobre uma plataforma pré-aquecida para facilitar a sinterização. A plataforma é preenchida com material pulverulento fusível, e quando o laser sinteriza uma camada, a plataforma é ligeiramente rebaixada, em seguida o pó é reaplicado através de um rolo, conforme ilustra a Figura 7. O processo então se repete até a conclusão da peça. A quantidade de pó em excesso serve como suporte estrutural para o tratamento das camadas seguintes, e ao final é retirado por sucção para reutilização nas próximas peças (LIRA; MAFALDA, 2013)..

(33) 31. Figura 7- Esquema do processo (SLS).. Fonte: http://www.custompartnet.com/wu/selective-laser-sintering (Adaptado).. Apesar de trabalhar com materiais de construção diversos, de poder construir protótipos com boa resistência e com formas complexas, esse sistema envolve um elevado número de variáveis como a potência e foco do laser, granulometria e morfologia do pó. O acabamento superficial não é tão bom quando comparado com outras técnicas como a SLA e o ajuste dos equipamentos requer acuidade quando o tipo de material a ser processado é trocado (HUANG; LIU; MOKASDAR, 2013).. 2.4.3 Impressão 3D (3DP). O método 3D Printing (3DP) baseia-se na utilização de cabeçotes convencionais de impressão para depositar camadas de resinas que servem como aglutinante para unir materiais pulverulentos presentes em uma plataforma de construção. Um sistema de rolos alimenta a plataforma com uma quantidade de pó do material de construção. O pó então recebe a adição seletiva de material ligante que é inserido pelo cabeçote de impressão. Após a camada aplicada os rolos aplicam uma segunda camada de pó que será novamente exposta seletivamente ao elemento ligante. O processo ilustrado na Figura 8 segue até a finalização da peça..

(34) 32. Figura 8 - Esquema do processo (3DP). Fonte: http://www.custompartnet.com/wu/3d-printing (Adaptado). Nesse ponto o excesso de pó é removido, a peça é retirada da plataforma e segue para um forno, onde será exposto a altas temperaturas. O ligante entra em decomposição térmica e o material em pó se funde em uma única peça que após o resfriamento receberá acabamento superficial. O método 3DP tem a capacidade de confeccionar peças em metal ou cerâmica, mas necessita de pós-processamento e consome grande quantidade de energia (BOSE; ROY; BANDYOPADHYAY, 2012).. 2.4.4 Modelagem por Deposição de Material Fundido (FDM). A técnica FDM baseia-se na fusão de filamentos de resina termoplástica e sua posterior deposição em finas camadas sobre um substrato, como demostrado na Figura 9. No cabeçote de impressão uma matriz em forma de bico controla o fluxo do material que está aquecido acima da sua temperatura de fusão. Desta forma a resina endurece rapidamente ao entrar em contato com o meio externo que apresenta atmosfera mais fria. Após a solidificação de cada camada o processo é repetido até construção total do objeto (HUANG; LIU; MOKASDAR, 2013). Durante a fabricação, um material de suporte é inserido para promover a sustentação da peça, tal suporte é constituído de substâncias solúveis e menos nobres, e após a obtenção da peça o material de suporte é removido. As resinas termoplásticas mais comuns utilizadas nesse sistema incluem o copolímero acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS),.

(35) 33. poli(ácido láctico) (PLA), policarbonato (PC) e poliamidas (PA) (WU; HSU 2015; LIRA; MAFALDA, 2013).. Figura 9- Esquema do processo (FDM). Fonte: http://www.custompartnet.com/wu/fused-deposition-modeling (Adaptado).. Dentre as vantagens que esse sistema apresenta estão a simplicidade na troca do material de construção, sua baixa complexidade no ajuste de parâmetros operacionais, sua precisão, facilidade na instalação de equipamentos e seu baixo custo. Porém essa tecnologia só trabalha com materiais termoplásticos o que limita seu campo de aplicações. Outras desvantagens são: a necessidade do uso de suportes e o longo período necessário para a confecção da peça (HUANG; LIU; MOKASDAR, 2013).. 2.4.4.1 Parâmetros do processo FDM. O princípio básico da tecnologia FDM é a extrusão, onde o material armazenado em um reservatório sofre aplicação de pressão e calor culminando na sua fusão, em seguida o fundido é forçado a fluir através de um bocal. Se a alimentação é mantida contínua, então o material irá escoar a uma taxa constante e manterá um diâmetro de seção transversal inalterado. O valor deste diâmetro é determinado de uma forma complexa, que envolve a temperatura do polímero, a vazão, a pressão, o diâmetro do bocal e suas propriedades reológicas (GIBSON; ROSEN; STUCKER, 2014). Este material deve permanecer em um estado viscoelástico, mantendo a sua forma. Assim, durante a construção da camada, o material poderá se solidificar com uma forma pré-definida. Além disso, o.

(36) 34. material em depósito deve criar ligações com a camada já extrudada, para que uma estrutura resistente seja formada (GIBSON; ROSEN; STUCKER, 2014). Uma compreensão matemática dos processos de extrusão se torna extremamente complex, pois envolve muitas variáveis não lineares. Por essa razão é comum supor que o material flui como um fluido newtoniano na maioria dos casos (BELLINI; GUCERI; BERTOLDI, 2004). Porém é válido mencionar alguns fatores chave para um sistema de prototipagem rápida baseado em extrusão tais como: carregamento do material, plastificação,. extrusão, solidificação, controle de. formação da camada, ligação do material com a peça já construída para formação de uma estrutura sólida e inclusão das estruturas de suporte (GIBSON; ROSEN; STUCKER, 2014).. 2.4.4.2 Carregamento do material. No processo FDM, deverá haver uma câmara na qual o termoplástico a ser processado será armazenado para então, sob a aplicação de uma pressão, escoar pelo bocal. O método de carregamento mais comum inclui o emprego de um suprimento contínuo de material na forma de filamento. Este se encontra no estado sólido, e utiliza de um atuador linear para acionar roletes que irão forçar o filamento para dentro do cabeçote de extrusão (CASAGRANDE, 2013).. 2.4.4.3 Cabeçote de extrusão. O cabeçote extrusor (Figura 10), é o conjunto mecânico da máquina FDM responsável pelo carregamento, pela plastificação e pela extrusão do material. No carregamento os principais parâmetros a se determinar são: o diâmetro do filamento, a velocidade do filamento e a contrapressão que o filamento terá que apresentar, desta forma, é possível determinar os canais e o motor necessário (CUNICO, 2015)..

(37) 35. Figura 10- Esquema de cabeçote de extrusão FDM.. Fonte: AHN, 2002 (Adaptado).. O sistema de plastificação tem como função mudar o estado do polímero de sólido para plastificado (fluido) em uma viscosidade adequada para o processamento. Já que o efeito de aquecimento por atrito é muito pequeno, devido às baixas velocidades entre o fluido e as paredes, a principal fonte de aquecimento é o efeito Joule das resistências elétricas. A primeira função da câmara é aquecer o polímero até a temperatura na qual a viscosidade esteja adequada para a extrusão. O segundo objetivo visa aumentar a qualidade da extrusão, já que no estado viscoelástico a parcela elástica acumula energia e depois a libera com um atraso no tempo, funcionando como uma mola, e, portanto, dificultando o controle preciso do volume extrudado. Já o terceiro objetivo quantifica a eficiência do sistema, já que quanto maior a queda de pressão, maior energia será demandada do motor (CASAGRANDE, 2013). Outro parâmetro a ser determinado é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura do polímero até uma temperatura na qual a viscosidade seja adequada Esta quantidade de calor é definida a partir do material a ser utilizado e da vazão volumétrica de material extrudado (CUNICO, 2015). Quanto ao controle de temperatura será necessário determinar apenas a temperatura de processamento. A extrusão do polímero plastificado ocorre devido ao aumento de pressão gerado pelo filamento empurrado pelo motor de carregamento. Após o aumento de pressão e da plastificação o polímero é forçado contra um bocal com um pequeno orifício circular. O diâmetro deste orifício e o seu comprimento serão as principais variáveis que determinarão os outros parâmetros de processo, e, além disso, é a geometria deste orifício que definirá a resolução da máquina, assim como as características do polímero (GIBSON; ROSEN; STUCKER, 2014)..

(38) 36. 2.5. MANUFATURA ADITIVA NA PRODUÇÃO DE SCAFFOLDS. A escolha de sistemas de MA para a produção de scaffolds, inclui a utilização de diversos tipos de polímeros, materiais cerâmicos e compósitos. Recentemente as técnicas de MA também demonstraram a capacidade de incorporação de células vivas em sua superfície e demonstram excelentes fatores de crescimento celular (ZHU et al., 2013). O Quadro 4 compara as características dos scaffolds obtidos em quatro sistemas de manufatura aditiva. Quadro 3 - Comparativo dos processos de MA aplicados em scaffolds. Processo. SLA. SLS. 3DP. FDM. Vantagens  Fácil utilização;  Velocidade na obtenção das peças;  Produz modelos com dimensões reduzidas;  Fácil remoção do material não solidificado;  Obtenção de scaffolds com elevada porosidade e de boas propriedades mecânicas;  Elevada precisão;  Variedade de materiais..  Facilidade na obtenção de peças cerâmicas;  Os modelos são construídos de forma simples e versátil;.    . Variedade de materiais; Processo de fácil execução; Menor custo entre os processos; Não necessita de pós processamento.. Desvantagens  Escolha limitada dos materiais a utilizar: estes devem ser fotossensíveis e biocompatíveis;  A exposição dos materiais ao laser pode condicionar as suas propriedades;  As resinas são reativas e geralmente tóxicas.  As elevadas temperaturas utilizadas durante o processo podem condicionar as propriedades dos materiais;  O material não sinterizado é de difícil remoção;  As partículas de pó são mal agregadas, tornando as operações de pós-processamento muito importantes;  Acabamento superficial dos modelos ruim;  A resolução do processo é condicionada pela granulometria do pó;  A escolha dos materiais é limitada pela interação com os ligantes orgânicos;  Propriedades mecânicas ruins.  As elevadas temperaturas utilizadas durante o processo podem condicionar as propriedades dos materiais;  Tempos de construção elevados.  Necessidade do uso de material de suporte.. Fonte: ZHU et al., 2013 (adaptado)..

(39) 37. 2.6. GRAFENO E DERIVADOS. 2.6.1 Grafeno. Embora o uso de grafite apresente registros de 6000 anos atrás, quando era utilizado na Europa para decorar a cerâmica, as pesquisas sobre o grafeno remontam a 1960(SINGH et al., 2011). Em 2004, os pesquisadores Andre Geim e Konstantin Novoselov da Universidade de Manchester conseguiram isolar pequenos fragmentos esfoliados a partir de grafite e após análises de caracterização verificaram que se tratava de uma estrutura de uma única camada de átomos de carbono (NOVOSELOV et al., 2004; SINGH et al., 2011). A publicação do artigo pelos cientistas culminou no prêmio Nobel da Física no ano de 2010. O grafeno pode ser classificado como uma estrutura alotrópica do carbono na qual os átomos com hibridização sp2 estão ligados covalentemente e arranjados em um retículo bidimensional com a espessura de um átomo (Figura 11). Sua célula unitária compreende dois átomos de carbono e é invariante por uma rotação de 120º em torno de qualquer átomo. Cada átomo tem um orbital no plano s e dois no plano p, os orbitais p estão orientados perpendicularmente ao plano molecular, hibridizando-se para formar as bandas π* (condução) e π (valência), que propiciam os fenômenos de condução planar (SOLDANO; MAHMOOD; DUJARDIN, 2010). Figura 11 – Representação esquemática do grafeno. Fonte: http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=11433. Com o objetivo de facilitar a comunicação entre organizações, pesquisadores, indústria e outras partes interessadas foi publicada em 2017 a norma ISO/TS 80004-13:2017, que lista os termos e definições para o grafeno e materiais bidimensionais relacionados, que.

(40) 38. inclui termos, métodos de produção, propriedades e caracterização (INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION, 2017).. 2.6.2 Métodos de obtenção do grafeno. Para a produção do grafeno, diversos métodos têm sido pesquisados, estes serão apresentados a seguir.. 2.6.2.1 Microesfoliação mecânica. No grafite as camadas de grafeno estão unidas por meio de interações de Van der Walls, essas interações apresentam uma energia de cerca de 2 eV.nm-2, sendo que a força necessária para separa-las mecanicamente é de cerca de 300 nN.µm-2. Como a força empregada para esfoliar as camadas de grafeno presentes no grafite é extremamente baixa, o método de microesfoliação mecânica utiliza uma fita adesiva para remover camadas. A ação da fita adesiva repetidas vezes cria camadas cada vez mais finas de grafite até a obtenção do grafeno (SOLDANO; MAHMOOD; DUJARDIN, 2010). No entanto, este método não é adequado para a produção em larga escala de grafeno necessárias para satisfazer os requisitos em diferentes áreas, principalmente no que se trata da produção de nanocompósitos poliméricos (KUILA, 2012).. 2.6.2.2 Deposição química por vapor (CVD).. Este método baseia-se na obtenção do grafeno diretamente sobre substratos metálicos. Como exemplos, tem-se o crescimento de grafeno em superfície metálica de níquel ou cobre pela passagem de gás metano (CH4) em altas temperaturas e baixas pressões. As altas temperaturas dissociam os precursores em átomos de carbono e hidrogênio. Devido a baixa solubilidade do carbono nesses metais, durante o resfriamento um filme fino de grafeno é formado na superfície do substrato (SINGH et al., 2011). A CVD produz grafeno com baixo número de defeitos tornando-se uma alternativa viável para produzir dispositivos de alto desempenho (SOLDANO; MAHMOOD; DUJARDIN, 2010)..