A capacidade de projetar e fabricar dispositivos biomédicos 3D complexos é crítica na engenharia de tecidos. As aplicações para esses dispositivos são principalmente para a restauração de defeitos anatômicos, a reconstrução de órgãos complexos (fígado e órgãos linfóides) e scaffolds para diferenciação de células-tronco. Um grande exemplo de necessidade para essa aplicação são os defeitos anatômicos no crânio, causados por câncer, trauma e defeitos congênitos.

Nos últimos anos, várias abordagens baseadas nos princípios da engenharia de tecidos têm sido exploradas para regenerar outros tecidos funcionais que são relevantes para a regeneração de tecidos maxilofaciais.

Nesse sentido, a fabricação sólida de forma livre (SFF - solid free form fabrication) permite que o projeto e a fabricação de estruturas 3D possam ser específicas para cada paciente. A integração do design assistido por computador (CAD - computer aided design), técnicas avançadas de imagem (ressonância magnética e tomografia computadorizada) e prototipagem rápida, avançaram para favorecer a fabricação de objetos com controle de macro e microarquitetura.

Embora as impressoras 3D industriais tenham atingido uma resolução extremamente alta nos últimos anos, os avanços na capacidade da máquina não se aplicam diretamente no uso de biomateriais, devido a suas limitações físicas e químicas. Os autores focam nas tecnologias avançadas de impressão 3D que estão sendo usadas para fabricar scaffolds na engenharia de tecidos.

Impressão Tridimensional (3DP - Three dimensional printing): permite a fabricação de estruturas 3D por impressão a jato de tinta em solução líquida aglutinante. Uma grande amplitude de materiais tem sido utilizada neste tipo de impressão, uma vez que a maioria dos biomateriais existem no estado sólido ou líquido (tanto cerâmicos quanto poliméricos). A fabricação de scaffolds complexos é facilmente alcançável com esta técnica. Autores em diferentes pesquisas criaram scaffolds altamente porosos com a combinação das técnicas de lixiviação particulada por 3DP e demonstraram o crescimento celular nos scaffolds desenvolvidos. Os materiais 3DP incluem polifosfato de cálcio e PVA (poliacetato de vinila).

Modelagem de deposição fundida (FDM - Fused deposition modeling): a modelagem de deposição fundida é a deposição de materiais termoplásticos fundidos através de uma ou duas cabeças de extrusão aquecidas com um pequeno orifício em um padrão específico. A FDM tem usado polímeros biocompatíveis com baixas temperaturas de fusão. Os materiais usados na FDM para criar scaffolds são PCL (policaprolactona) e compósitos de vidro bioativo. Também é uma técnica muito utilizada para planejamento de cirurgias.

Plotagem 3D de bioimpressão (3D plotting): foi desenvolvido para criar scaffolds de tecidos moles. A plotagem 3D é baseada na extrusão de um material líquido viscoso de uma seringa pressurizada em um meio líquido. O material é depositado em um fio contínuo ou em pontos individuais para criar uma forma 3D desejada de cerâmica, polímeros ou hidrogéis (onde é utilizada a fabricação sólida de forma livre). Os materiais de bioplotagem incluem PLGA (poliácido lático glicólico), colágeno, quitosana e proteína de soja.

Concluindo, os autores apresentaram os principais tipos de impressão 3D para obtenção de scaffolds com geometrias complexas, sendo aplicáveis em diferentes aspectos da medicina regenerativa. Diante disso, podemos perceber que a impressão 3D, com suas diferentes variantes, é uma tecnologia extremamente importante e crucial na área da engenharia de tecidos.

O desenvolvimento industrial demanda elevadas taxas de produção, com diferentes escalas. Com isso, os métodos de manufatura aditiva mostram modalidades que permitem a fabricação desde nanoescalas até mesoescalas, com geometrias simples e complexas. 

Dentre esses tipos de manufatura aditiva, a microestereolitrografia baseada em processamento de luz digital (digital light processing - DLP) explora a fotopolimerização, que converte precursores poliméricos em sólidos utilizando projeções de luz em alta resolução na superfície de uma tinta fotocruzável (photocrosslinkable ink).

O artigo apresenta quatro aspectos críticos à pesquisa, sendo eles: em primeiro aspecto, os microdisplays OLED cobrem áreas de microescalas à macroescalas por meio de uma única operação de produção (impressão 3D), o que permite a produção de tecidos em escala humana. Sendo assim, a manufatura aditiva por OLED demonstra resultados significativos nas demandas exigidas para produção industrial e em larga escala. 

Em segundo lugar, o OLED é o único modulador de luz digital bidimensional (2D) com infinita taxa de contraste, o que não é possível obter com os mecanismos tradicionais. Em terceiro, os microdisplays OLED estão comercialmente disponíveis. E, por fim, no quarto aspecto, as intensidades de luz das telas OLED devem ser uniformes. 

Juntos, estes aspectos abrem caminho para dispositivos com aplicações que exigem materiais avançados, principalmente na área de engenharia de tecidos. Um dos resultados obtidos foi que a plataforma de fabricação 3D por OLED (luz visível e tintas hidrogel à base de PEG) puderam apoiar o crescimento de células adultas de fibroblastos dérmicos humanos, potencializando o desenvolvimento na área da engenharia de tecidos.

Figura 1: Amostra de substratos fabricados com tinta hidrogel contendo PEG, usando multimateriais. As barras de escala são de 5 mm. Fonte: (Kowsari et al. 2021).

Com o avanço tecnológico de bioimpressão 3D, o método apresentado pelo artigo atendeu algumas das necessidades observadas pela indústria como baixo custo com a plataforma OLED, formulações de materiais biocompatíveis reticuláveis por luz visível, incitando novas oportunidades para engenharia de tecidos de alto rendimento e multimateriais.

A engenharia de tecidos busca obter novas alternativas para problemas médicos recorrentes, melhorar o desempenho de soluções já conhecidas e acelerar o processo de cura visando melhorar a qualidade de vida dos pacientes. No campo da recuperação de tecidos osseos são utilizados principalmente estruturas cerâmicas na forma de scaffolds, revestimentos ou preenchimentos. Scaffolds são estruturas porosas que sustentam seu próprio peso e podem ser compostas de um sistema unitário ou compósito, onde a fase cerâmica está associada a uma fase polimérica ou mineral.

Fosfatos de cálcio têm uma composição que é muito semelhante ao osso natural e, por isso, são muito utilizados em aplicações de regeneração óssea devido a sua alta bioatividade e biocompatibilidade. Dentro dessa família, hidroxiapatita e fosfato tricálcio são os mais utilizados e os scaffolds produzidos podem ser somente cerâmicos ou compósitos com a presença de polímeros. Outro material muito estudado é a celulose bacteriana, um polímero natural produzido por microrganismos que possui boas propriedades mecânicas, estruturais e biológicas. Devido a isso, a celulose bacteriana tem sido integrada em diversos compósitos para atuar como template para a síntese de materiais inorgânicos.

Para a produção do material, membranas de celulose bacteriana foram imersas e agitadas com auxílio de um dispositivo de ultrassom em um Becker com uma solução de nitrato de cálcio e depois em solução de fosfato de amônio. O processo foi realizado novamente e algumas amostras para verificar a influência do número de imersões no produto final.  O material compósito obtido foi submetido à liofilização para consolidar a estrutura porosa e passou posteriormente por um tratamento térmico visando à remoção da fase polimérica e a formação de estruturas bem cristalizadas. Houve variação na temperatura, taxa de aquecimento e duração dos tratamentos térmicos para avaliar o comportamento do material. A composição e morfologia das amostras foram analisadas antes e após serem submetidas ao tratamento térmico e suas propriedades magnéticas também foram avaliadas para verificar a possibilidade de utilizar o material obtido para o desenvolvimento de scaffolds magnéticos.

As amostras foram submetidas à análise térmica onde foi constatado que ocorre uma deposição cerca de 38% maior nos corpos de provas que passaram por dois ciclos de imersão. A avaliação por difração de raios x e FTIR, realizados a amostras antes de serem submetidas ao tratamento térmico, demonstraram que fosfatos de cálcio realmente se depositaram na celulose bacteriana e imagens do MEV reforçaram essa constatação. Após o tratamento térmico, a difração de raios x indicou a formação de pirofosfato de cálcio com estrutura tetragonal em tratamentos térmicos abaixo de 1000°C e ortorrômbica para tratamento realizado a 1200°C. Imagens do MEV revelaram que a taxa de aquecimento e a duração do tratamento térmico alteram a porosidade e a dimensão dos grãos, influenciando as propriedades mecânicas do scaffold. A análise magnética revelou que o material produzido contém resposta magnética intrínseca e ajustável de acordo com o tratamento térmico.