Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Teses
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Tipo: Tese
Título: Scaffolds tridimensionais de P(VDF-TrFE)/BaTio3 produzidos por near-field electrospinning
Autor(es): RIBEIRO, Larissa Mayra Silva
Primeiro Orientador: GIMENES, Rossano
Resumo: Estruturas tridimensionais funcionais, ou scaffolds, são de grande interesse na área de engenharia de tecidos associada à medicina regenerativa por permitirem a mimetização de estruturas biológicas. Por outro lado, biomateriais piezoelétricos quando submetidos às forças elétricas e/ou mecânicas, possuem a capacidade de estimular o crescimento e a diferenciação celular em tecidos específicos, como o tecido ósseo por exemplo. Estudos recentes indicam que o copolímero polifluoreto de vinilideno trifluoretileno (PVDF-TrFE) associado à cerâmica Titanato de Bário (BaTiO3) possuem propriedades biológicas atrativas em função das suas características eletroativas como resposta piezo, piro e ferroelétrica. Deste modo, compósitos P(VDF-TrFE)/BaTiO3 aliem propriedades eletroativa com a estrutura porosa de um scaffold podem representar promissores materiais para regeneração tecidual óssea. Neste trabalho, os scaffolds foram feitos empregando uma máquina experimental desenvolvida durante o doutorado, na qual, associa a técnica de eletrofiação por campo próximo (NFES) com a técnica impressão tridimensional. Esse protótipo permite que estruturas tridimensionais sejam sintetizadas a partir da formação de fibras com propriedades adequadas que mimetizem um ambiente eletrofisiológico, proporcionando assim a formação/restauração de um novo tecido biológico. As caracterizações estruturais e físico-químicas do material desenvolvido compreendem a microscopia eletrônica de varredura (MEV), molhabilidade da superfície, análise termogravimétrica (TGA), calorimetria exploratória diferencial (DSC), espectroscopia por infravermelho (FTIR) e difração de Raio – X (DRX). A caracterização biológica do material foi realizada a partir de estudos in vitro com o intuito de avaliar a proliferação, adesão e crescimento de osteoblastos (MG-63) nos scaffolds obtidos por Eletrofiação Convencional (CES) e Eletrofiação 3D (NFES). Além dos ensaios biológicos, também foi realizado o estudo da piezoresposta de cada scaffold, utilizando a técnica de PFM. Foi constatado que através da técnica de impressão 3D associada à técnica de eletrofiação NFES é possível produzir scaffolds com fibras alinhadas e padronizadas, podendo mimetizar a matriz extracelular do tecido ósseo. Os resultados obtidos referentes aos ensaios microestruturais indicam que o diâmetro das fibras produzidas são de aproximadamente 341 nm e 2,69 μm para o CES e NFES scaffold, respectivamente. O ensaio de molhabilidade superficial demonstrou que a princípio os ângulos de contato mostram uma superfície hidrofóbica, com θ = 115,6 para o CES scaffold e θ = 100,6 para o NFES scaffold. Em relação aos ensaios físico-químcos, a degradação térmica do compósito ocorre a partir de 440 °C. O CES scaffold apresentou sua cristalinidade em torno de 15 60,50% e a porcentagem da fase β em 78,23%. Já a cristalinidade do NFES scaffold foi calculada em torno de 65,10%, apresentando a fase β correspondente a 78,06%. Pela análise de FTIR e DRX foi observado que para a membrana e scaffold tanto as bandas de absorção como os picos de difração caracterizam o material na fase piezoelétrica β. Ainda, esses resultados demonstram que esses parâmetros foram mantidos independente da técnica escolhida para a síntese do scaffold. A análise de PFM em ambos scaffolds mostram fibras com propriedades piezoelétricas superior ao do tecido ósseo (potencial de piezoresposta NFES = 4,873 ± 0,637 mV; potencial de piezoresposta CES = 2,728 ± 0,411 mV; potencial piezoresposta óssea = ≈ 300 μV), podendo assim mimetizar um ambiente eletrofisiológico que permita o crescimento e proliferação celular. Os ensaios biológicos mostram boa compatibilidade do material com osteoblastos tendo seu crescimento e proliferação guiados pelas fibras nos padrões de deposição nos scaffolds obtidos por Eletrofiação 3D.
Abstract: Functional three-dimensional structures, or scaffolds, are of great interest in the area of tissue engineering associated with regenerative medicine, as they allow the mimicry of biological structures. The electrospinning technique, considered a simplified and low-cost process, presents versatility in producing structures with high porosity and surface area, which allows interaction between cell materials at the molecular level. Scaffolds synthesized from piezoelectric materials, when subjected to electrical and/or mechanical forces, can stimulate cell growth and differentiation in specific tissues such as bones. Recent studies have indicated that the copolymer polyvinyl fluoride trifluoroethylene (PVDF-TrFE) associated with ceramic Barium Titanate (BaTiO3) has biological properties that are inspired by electronic characteristics owing to their high piezoelectric, pyroelectric, and ferroelectric responses. Thus, this work studies functional scaffolds with suitable characteristics for use in the area of tissue regeneration, from the development of an equipment that associates the direct-write near-field electrospinning (NFES) technique with the three-dimensional printing technique. The prototype allows the development of three-dimensional structures from fibers with suitable properties that mimic an electrophysiological environment, providing the formation/regeneration of biological tissue. The structural, physicochemical, and electrical characterizations of the material were carried out at the Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI) - Itajubá, including scanning electron microscopy (SEM), surface wettability, thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), solution viscosity, X-ray diffraction (XRD), impedance, and surface potential of the scaffolds. Biological characterization of the material was performed using in vitro studies to evaluate the proliferation, collagen, and cell behavior of the scaffold. For this, we used osteoblast-like MG-63 cells seeded on NFES and CES scaffolds. This work was conducted jointly with the AGH University of Science and Technology, Poland. Together with Biological Tests, the piezoresponse of the fibers was analyzed. The microstructure results showed the fibers diameter of 341 nm and 2,69 μm for CES and NFES scaffolds, respectively. The wettability assay demonstrated that the surface was hydrophobic, with contact angle of 115,6° for the CES scaffold and 100,6° for the NFES scaffold. Regarding physicochemical tests, the thermal stability of both materials was up to 440 °C, and the crystallinity of the CES scaffold corresponds to 79,63 % with a β phase content of 78,23. In contrast, the crystallinity of the NFES scaffold corresponds to 65,10% and presents 78,03% of β phase content. The XRD and FTIR analyses indicated that the absorption peaks and diffraction peaks of the membrane and scaffold characterized both materials as piezoelectric owing to the strong presence of the β phase, independent of the technique used to obtain the scaffolds. PFM analysis of both scaffolds showed fibers with piezoresponse properties superior to the bone tissue (NFES piezoresponse potential = 4.873 ± 0.637 mV; CES piezoresponse potential = 2.728 ± 0.411 mV; bone piezoresponse potential = ≈ 300 μV). These findings imply that the both scaffolds could mimic an electrophysiological environment that allows cell growth and proliferation. Biological findings showed good compatibility with cells and both scaffolds, and we noted that the proliferation and cell alignment follow the fiber pattern for NFES scaffolds.
Palavras-chave: Scaffolds
Eletrofiação 3D (NFES)
Impressão 3D
P(VDF-TrFE)/BaTiO3
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALÚRGICA
Idioma: eng
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IFQ - Instituto de Física e Química
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Ciência e Engenharia de Materiais
Tipo de Acesso: Acesso Restrito
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3894
Data do documento: 29-Ago-2023
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