Os materiais cerâmicos, de modo geral, são duros, quebradiços, resistentes ao desgaste e resistentes à corrosão, o que explica seu potencial ortopédico como implantes médicos, como próteses da articulação do quadril. 

As biocerâmicas são uma subclasse de cerâmica desenvolvida na década de 1970 e além das boas propriedades mecânicas existentes da cerâmica, as biocerâmicas incluem excelente biocompatibilidade e grande potencial de bioatividade. Portanto, esses biomateriais também são usados em inúmeros implantes dentários, enxertos ósseos e scaffolds para promover a osteogênese no campo da engenharia de tecidos.

A demanda cada vez mais crescente por dispositivos e peças de materiais biocerâmicos requer métodos mais rápidos e precisos para sua fabricação. A tecnologia de fabricação subtrativa é comum, embora imperfeita. A maioria dos métodos para fabricar scaffolds de cerâmica, usando moldes de polímero ou agentes espumantes, são criados usando métodos subtrativos. Esses métodos criam os poros no scaffold de forma aleatória e, portanto, não podem fornecer um bom controle de parâmetros. 

Para outras aplicações, como ortopedia, uma máquina computadorizada pode subtrair partes indesejadas de um material e deixar apenas a forma desejada. O material subtraído pode, então, fabricar outros componentes menores ou ser descartado como desperdício. Com o surgimento da manufatura aditiva, houve uma solução para os problemas da manufatura subtrativa. Sendo assim, as impressoras 3D podem construir objetos complexos em menor tempo, com menor quantidade de peças e com menos desperdício. 

De forma geral, uma impressora 3D recebe um modelo tridimensional (CAD) para seu software de processamento e todo o processo é automatizado. Os programas de processamento das camadas fornecem personalização adicional dos parâmetros de impressão, como preenchimento, temperatura e velocidade de impressão.  A manufatura aditiva não precisa de moldes ou usinagem para construção complexa de modelos como scaffolds. Além disso, a impressão 3D não se limita apenas a materiais plásticos. A tecnologia de impressão 3D atual permite o uso de materiais alternativos, incluindo biotintas e, claro, cerâmicas com as devidas adaptações.

Cada técnica de manufatura aditiva ainda mantém a ideia de “camada por camada” que define o processo, no entanto, variações no método de impressão ou materiais podem resultar em imensas mudanças em características como resistência mecânica, biocompatibilidade, porosidade e até mesmo custo. Assim, não existe um método universal de “melhor” impressão 3D para materiais biocerâmicos. Vamos aos métodos existentes hoje:

A impressão baseada em extrusão, ou Fused Deposition Modeling (FDM), é uma das técnicas mais conhecidas e utilizadas tradicionalmente. Um dispositivo recebe um modelo 3D e, em seguida, inicia a impressão aquecendo o cabeçote de impressão e a mesa de impressão. 

O bocal então extruda o material cerâmico (com adaptações) camada por camada. Cada camada endurece à medida que é colocada e se torna um produto sólido. O método de FDM consome pouca energia e custa menos do que algumas outras técnicas de manufatura aditiva, e por esta razão, eles são muito estudados para engenharia de tecido ósseo.

O jateamento de material (material jetting) é outra técnica de manufatura aditiva que pode incluir materiais biocerâmicos. Sua tecnologia é relativa a impressoras domésticas em papel colorido. No entanto, o jateamento de material também pode formar geometrias cerâmicas 3D complexas sem defeitos microestruturais perceptíveis. Com o jateamento de material, quantidades de gotículas suspensas em cerâmica são dispersadas com precisão em um material de substrato ou superfície de impressão. Essas gotículas então solidificam através da evaporação do solvente, gelificação induzida por temperatura ou reações químicas. O processo se repete camada por camada até que um sólido 3D do objeto desejado seja fabricado.

Binder jetting (ou jateamento de ligante em tradução literal) é outra forma de manufatura aditiva capaz de realizar a fabricação sólida de forma livre de materiais cerâmicos. Neste processo, as camadas de pós biocerâmicos são dispersas uniformemente em uma plataforma de construção. Um mecanismo deixa cair o fluido aglutinante no pó para unir as camadas. Após a conclusão do processo, a cerâmica desenvolvida é sinterizada para integridade estrutural. 

Além de usar depósitos de gotículas, existem abordagens baseadas em laser para a manufatura aditiva de materiais biocerâmicos. A sinterização seletiva a laser (SLS) é um método baseado em pó. Nele, é utilizado um laser para derreter (ou fundir) parcialmente as partículas de cerâmica até que elas se unam ou “sinterizem”. 

O pó é depositado camada por camada sobre um leito. Depois que cada camada é depositada, um laser de passagem escaneia o pó em um determinado padrão. Este processo é repetido para cada camada até que o produto final seja formado. O produto que é produzido a partir desse processo pode ser bastante poroso, sendo uma escolha ideal para scaffolds para a engenharia de tecidos.

Os métodos atuais de fotopolimerização em cuba usam materiais cerâmicos misturados à resina para impressões precisas e com detalhes finos. De modo geral, um recipiente cheio de resina fotossensível é curado através da exposição à luz UV, uma camada de cada vez. O corpo verde resultante é então pós-processado por meio de sinterização. 

Todos esses métodos de produção de materiais biocerâmicos foram estudados para determinadas aplicações na indústria, tais como: scaffolds (para regeneração de tecidos), enxertos ósseos, odontologia e revestimentos de implantes. As técnicas de impressão de biocerâmica apresentadas no artigo possuem características específicas que as tornam adequadas para necessidades únicas. Reforçando mais ainda que na manufatura aditiva de biocerâmica não existe uma técnica melhor que a outra. 

Além disso, é importante considerar a microestrutura, bem como as demais propriedades do material cerâmico que está sendo impresso. O tamanho e a composição das partículas de cerâmica podem afetar a homogeneidade geral, a porosidade e as propriedades mecânicas após a sinterização. Há muito mais parâmetros a serem considerados em cada processo, e mais pesquisas são necessárias para estabelecer mais protocolos padrão para controlar esses parâmetros. 

A engenharia de materiais atua fortemente nesta área, somando as duas linhas de atuação: estudo dos parâmetros de materiais biocerâmicos (microestrutura, homogeneidade, composição, etc) e métodos de fabricação. Com isso, podemos concluir que a área de biocerâmicas apresenta um grande potencial nas próximas gerações de engenheiros e de pesquisadores.

Defeitos ósseos de tamanho crítico são aqueles que não cicatrizam espontaneamente, sem intervenção médica. Eles podem surgir por trauma, má cicatrização de fraturas e remoção óssea após infecção grave ou ressecção de tumor.

O padrão atual de tratamento é reconstruir o defeito com osso de uma região diferente do esqueleto humano e estabilizar com implantes fixados ao osso. Isso tem limitações, incluindo a quantidade de osso disponível para transferência sem causar morbidade no paciente e o aumento do risco de infecção.

O uso da manufatura aditiva está aumentando rapidamente na área da saúde, particularmente nas áreas de odontologia e ortopedia. Um dos principais benefícios dessa abordagem é o potencial para implantes personalizados. 

Ao reconstruir um objeto a partir de tomografias 3D dos defeitos ósseos e fazer engenharia reversa do local danificado, um implante pode ser produzido com dimensões exatas para reparar o defeito. 

Existem inúmeras técnicas e materiais disponíveis, de modo que metais, cerâmicas e polímeros podem ser fabricados para aplicações ortopédicas específicas. O estudo realizado pelos autores investigou o uso da modelagem de deposição fundida (FDM - fused deposition modeling) para a reconstrução óssea.

Esse método de fabricação é disponível a um custo relativamente baixo e representa uma técnica economicamente viável para produzir implantes personalizados. Outra vantagem é o nível de controle sobre os parâmetros de projeto. Por exemplo, materiais, macroporosidade e geometria de preenchimento podem ser todos refinados de modo que o scaffold possa ser ajustado em termos de adesão celular, infiltração celular e rigidez.

O material utilizado pelos autores foi o LayFomm (PoroLay) - uma mistura de polímeros de álcool polivinílico (PVA) e poliuretano (PU).

Neste estudo, os autores estudaram o uso do LayFomm como material para o scaffold para a diferenciação in vitro de células-tronco de polpa dentária (DPSCs - dental pulp stem cells) e produção de matriz óssea semelhante ao do osso. Em seguida, o scaffold foi implantado por via subcutânea para determinar a resposta de corpo estranho ao material. 

Com isso, os scaffolds foram implantados em defeitos mandibulares em um modelo de roedor in vivo para determinar o potencial de crescimento ósseo e cicatrização do defeito.

Segundo os autores, o poliuretano usado neste estudo permitiu uma rápida fixação celular, com uma eficiência de 68% após apenas 3 horas de implementação. Isso pode ser atribuído à tendência do material ser atraído pela água (hidrofílico) e também à sua microporosidade. 

Figura 1: Scaffolds desenvolvidos com o material LayFomm, mostrando o aparecimento de microporos após a remoção do PVA (álcool polivinílico). Fonte: (Cooke et al. 2020).

A microporosidade proporcionou uma área de superfície maior e demonstrou aumentar a adesão de proteínas, a adesão e a proliferação celular, além de desempenhar um papel crítico na osteogênese nos scaffolds ósseos. 

Os autores mostraram também que a capacidade do LayFomm de absorver e liberar quimioterápicos foi ativa por um período de 14 dias, o que demonstrou a formação óssea in vivo.

As células-tronco da polpa dentária (DPSCs - dental pulp stem cells) foram utilizadas neste estudo para análise in vitro devido à sua rápida taxa de proliferação e capacidade de sofrer diferenciação osteogênica na presença dos fatores apropriados. De acordo com os autores, os scaffolds foram capazes de proliferar, diferenciar e produzir matriz óssea.

Este foi o primeiro estudo a caracterizar o LayFomm como um material potencial para regeneração óssea in vitro e in vivo. A formação bem-sucedida da matriz óssea foi promissora, como uma estratégia de reparo ósseo utilizando um scaffold, o que pode ser útil no reparo de defeitos craniofaciais. 

Os autores afirmaram que um caminho interessante para uma investigação mais aprofundada nesta área é a entrega de agentes terapêuticos dentro dos microporos do material para aumentar ainda mais sua capacidade de formação óssea.

Por fim, os autores concluem que defeitos ósseos de tamanho crítico são um cenário desafiador para médicos e pacientes. Um scaffold desenvolvido com um material com grande potencial como o LayFomm permite o crescimento ósseo enquanto fornece suporte estrutural ao osso tem o potencial de ajudar milhões de pacientes em todo o mundo.