Printabilidade de biotinta para processos de bioimpressão 3D por extrusão : abordagem de design e parâmetros de impressão

Abstract

A bioimpressão tridimensional (3D) é uma estratégia de biofabricação provinda da manufatura aditiva que permite a construção de estruturas 3D a partir da deposição controlada camada a camada de um volume determinado de biotintas. As biotintas são composições de biomateriais, em geral biopolímeros que apresentam características diversas em relação a propriedades reológicas como viscosidade, às quais é possível realizar a adição de células. Atualmente, na bioimpressão 3D por extrusão, muito tem se desenvolvido e pesquisado em relação ao aprimoramento das biotintas. Dentro desse contexto, surge o conceito de printabilidade que agrupa diversos parâmetros para caracterização e estabelece uma forma macro de avaliar a performance de uma biotinta em um processo de bioimpressão 3D. Na literatura, o conceito de printabilidade, apesar de ser comumente empregado, considera diferentes aspectos variando de trabalho a trabalho. Em geral, alguns parâmetros que são colocados como chaves no processo são: design do constructo, composição da biotinta e parâmetros da bioimpressão 3D. Em relação ao design do constructo, fatores como a orientação (vertical e horizontal), espaçamento (tamanho de poros), altura da camada, diferentes padrões de preenchimento e modelos computacionais que desafiem as biotintas de forma estrutural devem ser considerados a fim de analisar a printabilidade. Biotintas compostas por combinações entre polímeros têm se mostrado a escolha mais comum na área da biofabricação, uma vez que é possível combinar características e, com isso, alcançar resultados melhores. Por fim, os parâmetros de bioimpressão como calibre da agulha, pressão para extrusão e velocidade são também utilizados para avaliar a printabilidade. A motivação comum dos processos de bioimpressão 3D são as possíveis aplicações na medicina regenerativa e na engenharia tecidual, então, avaliar a viabilidade celular e a citocompatibilidade se tornam necessárias. De modo geral, na literatura existem diferentes abordagens para estabelecer a printabilidade e diferentes formas de caracterização já foram testadas. O objetivo desse estudo foi estabelecer um processo de caracterização da printabilidade de uma biotinta por meio de uma abordagem de design com o desenvolvimento de modelos CAD (Computer Aided Design) e pela aplicação de modelos matemáticos e estatísticos para otimização do processo de escolha de parâmetros. Os modelos CAD foram desenvolvidos de modo que possibilitassem a caracterização de estruturas quanto à forma após a bioimpressão. Uma sequência de modelos foi estabelecia de modo que em cada etapa fosse possível analisar um aspecto importante em relação à manutenção de forma em estruturas bioimpressas. Outros modelos foram criados como proposta de uma abordagem diferente em relação ao design de estruturas para a bioimpressão. Quanto aos parâmetros de bioimpressão, a otimização de três parâmetros (diâmetro da agulha, extrusion multiplier e velocidade de impressão) por meio da Metodologia de Superfície de Resposta (MSR) utilizando o Composto Central foi conduzida em 4 bioimpressoras diferentes. A variável avaliada nessa metodologia foi a largura do filamento extrusado em relação ao diâmetro da agulha utilizada. A partir dos resultados, foi possível propor uma forma de acessar a printabilidade de modelos CAD e, por meio da MSR, estabelecer a significância ou não dos parâmetros estudados em relação à largura do filamento para cada bioimpressora, além de mostrar as variações entre diferentes máquinas. Conclui-se que a caracterização da printabilidade de biotintas utilizadas em processos de bioimpressão 3D tem se tornado uma etapa necessária quando se trata da técnica e diferentes propostas de métodos foram sugeridas a fim de acessar a printabilidade de uma biotinta nos processos de extrusão.