Devido ao seu baixo peso, alta ductilidade e excelente resistência, os compósitos de matriz de alumínio (Al) e ligas de alumínio têm atraído crescente interesse nos campos automotivo, aeroespacial e de defesa nacional. 

Muitos estudos sobre alumínio reforçado com diferentes materiais foram realizados recentemente, reforços tais como fibras de carbono (CFs - carbon fibers), nanotubos de carbono, fibra de grafite, grafeno e assim por diante. O baixo custo e as propriedades mecânicas superiores das fibras de carbono são experimentalmente melhores do que as de outros reforços.

Além disso, a impressão 3D atrai enorme atenção devido à sua alta precisão, baixo custo e curto tempo de fabricação. Vários materiais podem ser impressos usando diferentes técnicas, como metais, cerâmicas, cimentos, polímeros e materiais biológicos, o que permite sua aplicação em campos variados.

No trabalho realizado pelos autores, foram produzidas quatro amostras com diferentes arranjos de fibras de carbono alinhados em camadas de alumínio usando uma impressora 3D baseada em SLA (Stereolithography Apparatus), que ocorre por fotopolimerização.

Os autores organizaram as fibras de maneira aleatória, paralela, circular e ortogonal. Após a impressão das amostras e da sinterização, analisaram as microestruturas, reação da interface e propriedades mecânicas dos compósitos CFs/Al (fibras de carbono/alumínio). 

Dos materiais usados na pesquisa, foram utilizados: resina fotossensitiva, pó de alumínio esférico (tamanho de partícula de 48 μm e 99,7% de pureza) e fibras de carbono com diâmetro médio de 7 μm e comprimento médio de 2 mm.

Um detalhe importante que os autores apontam na preparação das amostras é que para reduzir as cavidades gasosas nas estruturas e melhorar as propriedades mecânicas dos materiais compósitos produzidos, a quantidade da resina fotossensível deve ser minimizada de modo que a amostra esteja completamente curada, ou seja, sem excesso de resina na peça.

O processo de impressão 3D foi da seguinte forma: a suspensão do compósito era depositada na mesa de impressão e o mecanismo de raspagem era movido horizontalmente e uma parte da suspensão fica aderida na superfície (onde se obtém a primeira camada), assim, dá-se início ao processo de cura e o mecanismo movia-se horizontalmente para dar início a outra camada. Após todo o processo, as peças foram sinterizadas - para remoção total da resina.

Figura 1: Diagrama esquemático dos processos de impressão 3D: a linha pontilhada amarela representa o arranjo paralelo e a seta preta representa o arranjo ortogonal. Fonte: (Liang et al. 2022).

Em seguida, os autores realizaram testes mecânicos nas amostras e chegaram à conclusão de que a viabilidade do processo proposto é comprovada pela produção bem-sucedida dos compósitos com estruturas altamente ordenadas de fibras alinhadas. 

Figura 2: Imagem do microscópio eletrônico de varredura das fibras alinhadas (c) aleatoriamente e (d) paralelamente. Fonte: (Liang et al. 2022).

Os resultados dos testes mecânicos mostraram também que o arranjo paralelo teve o maior alongamento, que é cerca de 0,4 vezes maior que o arranjo aleatório. Além disso, o arranjo ortogonal teve a maior resistência ao impacto, que foi cerca de 0,8 vezes maior que o arranjo aleatório. 

Com isso, os autores demonstram que o arranjo específico de fibras pode melhorar anisotropicamente as propriedades mecânicas dos compósitos reforçados com fibras e contribuir para as indústrias - principalmente as automotivas, aeroespaciais e de defesa nacional, que são de grande interesse mundial.

Por muitos anos, pesquisadores da área de materiais vem trabalhando no desenvolvimento de uma alternativa para enxertos ósseos de forma artificial (ou sintética). Inicialmente, scaffolds (matrizes porosas) eram utilizadas para preenchimento da área com defeito. Porém, com o avanço da tecnologia, eles começaram a ser utilizados como um mecanismo de indução ativa para a regeneração óssea, e assim, promovendo a reconstrução do osso original. 

Atualmente, os scaffolds simulando estruturas ósseas porosas podem ser fabricados por uma variedade de métodos. Os métodos tradicionais incluem separação de fase, lixiviação de partículas, formação de espuma de gás ou liofilização, que não podem controlar o tamanho, a forma e o tamanho dos poros. No entanto, essas técnicas não produzem a estrutura precisa de um scaffold tridimensional. 

A impressão 3D (manufatura aditiva) mostra uma grande capacidade de fabricação de material e pode produzir o scaffold camada por camada de acordo com o modelagem específica de um arquivo CAD (Computer-aided engineering).

Neste estudo, nano-HA e PLA com a mesma massa (50/50) foram fabricados em scaffolds compósitos. A caracterização, propriedades mecânicas, biocompatibilidade in vitro e indutibilidade osteogênica do scaffold compósito foram sistematicamente examinadas, e mais experimentos in vivo foram realizados em modelo de defeito femoral de coelho por 3 meses. 

Os resultados mostram que os andaimes compósitos PLA/nano-HA têm boa biocompatibilidade e indução osteogênica habilidade simulando materiais orgânicos e inorgânicos no tecido ósseo, simulando o ambiente natural da matriz óssea e com potencial de transformação clínica no reparo de defeitos ósseos críticos.

Figura 1: Fabricação de compósitos PLA/n-HA. (a) Material seco de PLA/n-HA; (b) materiais brutos de PLA/n-HA triturados; (c e d) filamento compósito PLA/n-HA; (e) scaffolds de células compostas PLA/n-HA impressas em 3D; (f) reconstrução CT de um cilindro composto impresso em 3D; e (g) reconstrução de TC de blocos impressos em 3D (frente, diagonal, em estrutura honeycomb). Fonte: (WANG, el at. 2021).

Por fim, o artigo conclui que o material compósito de PLA/nano-HA (50/50) foi produzido através da manufatura aditiva e apresentou alta processabilidade, biocompatibilidade e alta atividade biológica, capaz de induzir crescimento ósseo in vivo. O material produzido apresentou alto potencial para implantes em defeitos ósseos e pode combinar as vantagens do método de fabricação, além de compensar as deficiências de cada material. Sendo assim, apresentando um significado promissor na área da engenharia de tecidos e aplicação de biomateriais.

Nos dias atuais, a precipitação de carbonato de cálcio (CaCO3) induzida microbianamente (MICP - microbially induced calcium carbonate) é utilizada para a estabilização do solo, reparos em fissuras no concreto, vedação de fratura de óleos, biorremediação em metais e mitigação de vazamento de dióxido de carbono (CO2). Durante a precipitalção induzida microbianamente, a atividade metabólica dos microorganismos aumenta o estado de saturação local da célula bacteriana e promove a precipitação do carbonato de cálcio (CaCO3).

Com a viabilidade a longo prazo melhorada, os microorganismos podem ser utilizados para cultivar materiais de construção vivos (LBM’s) com funções biológicas estruturais. Os LBM’s necessitam de dois componentes principais: scaffold inerte (que fornece suporte estrutural para um componente vivo) e um componente vivo (que utiliza o scaffold como função estrutural e biológica).

Os microorganismos capazes de precipitar o carbonato de cálcio induzido microbianamente podem ser utilizados para cultivar materiais de construção com função auto-sustentável.

A viabilidade de Synechococcus no compósito areia-hidrogel foi, em geral, muito maior do que outros microrganismos biomineralizantes relatados em outros materiais estruturais. Otimizando as caracterísicas biológicas e estruturais dos LBM’s (temperatura, umidade e química do hidrogel) podem estender a utilizade deles para aplicações mais avançadas. Por exemplo, os microorganismos podem sentir, e responder, a produtos químicos tóxicos ou revelar danos estruturais com fluorescência.

Figura 1: (1) Os LBMs são criados pela mistura de Synechococcus sp. com células contendo cálcio meio nutricional, gel e areia. (2) LBMs podem ser regenerados exponencialmente a partir de um LBM através do uso de interruptores de temperatura e umidade. (3) LBMs ganham integridade estrutural por meio de dessecação. Após o serviço como material estrutural de suporte de carga, os LBMs podem ser reciclados como fonte agregada para novos LBMs. Fonte: (Reveran et al. 2020).

A pesquisa desenvolvida mostrada no artigo determinou que os LBM’s projetados foram capazes de mostrar uma regeneração exponencial através do uso de interruptores ambientais e precipitar o carbonato de cálcio induzido por micróbios. A cianobactéria Synechococcus, mineralizou e endureceu o gel. Em conjunto, o artigo mostrou que os resultados obtidos demonstram novas classes de LBM’s que podem ser projetados para obter múltiplas funcionalidades biológicas em materiais estruturais.

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.