Extrusion-based 3D printing of 3YSZ–calcium phosphate composite scaffolds

O esqueleto humano é uma maravilha da engenharia, equilibrando a necessidade de ser forte o suficiente para suportar o nosso peso com a necessidade de ser leve o suficiente para nos permitir mover. Quando o osso é perdido devido a ferimentos ou doenças, os médicos recorrem frequentemente a implantes para o substituir. Durante décadas, os melhores materiais para estas substituições têm sido metais como o titânio ou cerâmicas como a zircónia, escolhidos pela sua incrível resistência e capacidade de sobreviver dentro do corpo sem corroer. No entanto, estes materiais têm uma desvantagem significativa: são muito mais densos e rígidos do que o osso natural. Este desajuste pode fazer com que o osso circundante enfraqueça ao longo do tempo, tal como uma bota pesada a esmagar o solo macio por baixo dela. Por outro lado, materiais que mimetizam a composição química do osso, como o fosfato de cálcio, são excelentes a incentivar o crescimento de novo tecido, mas são frequentemente demasiado frágeis para suportar cargas pesadas. O desafio para os cientistas tem sido criar um material que seja simultaneamente forte o suficiente para suportar peso e leve o suficiente para corresponder ao osso que substitui, sendo capaz, ao mesmo tempo, de ser moldado em estruturas complexas que se ajustem à anatomia única de cada paciente.

Uma equipa de investigadores da Universidade NOVA de Lisboa e da Universidade de Lisboa deu um passo em direção à resolução deste problema ao desenvolver um novo tipo de compósito cerâmico utilizando uma técnica chamada impressão 3D baseada em extrusão. Em vez de tentarem imprimir um único material, misturaram dois componentes distintos numa tinta espessa, semelhante a uma pasta. O primeiro componente era 3YSZ, uma forma de zircónia resistente e estabilizada termicamente, conhecida pela sua durabilidade em aplicações dentárias e médicas. O segundo era o fosfato de cálcio, uma substância quimicamente semelhante ao mineral encontrado nos dentes e ossos humanos, que é conhecida por ajudar o corpo a integrar-se com um implante. Ao imprimir estas pastas camada a camada e, em seguida, cozê-las num forno de alta temperatura, a equipa criou estruturas cilíndricas que combinavam a resistência da zircónia com a natureza bioativa do fosfato de cálcio.

Os investigadores descobriram que a simples adição do fosfato de cálcio à pasta de zircónia teve um efeito profundo no produto final. As cerâmicas de zircónia pura são extremamente densas, pesando mais de 3,5 gramas por centímetro cúbico, o que é muito mais pesado do que o osso natural. No entanto, ao incorporar entre 30 e 45 por cento de fosfato de cálcio na mistura, a equipa conseguiu reduzir a densidade dos objetos impressos para uma gama de 2,2 a 2,5 gramas por centímetro cúbico. Esta nova densidade é notavelmente próxima da densidade do osso cortical natural, resolvendo eficazmente o problema do peso sem sacrificar a integridade estrutural do material. Para garantir que o material pudesse ser impresso suavemente, a equipa também testou a adição de grafite à mistura, que atuou como um marcador temporário que ardeu durante o processo de aquecimento, deixando para trás pequenos poros que reduziram ainda mais o peso.

Para além de alterar apenas o peso, a equipa examinou cuidadosamente o que aconteceu aos materiais ao nível microscópico quando foram aquecidos. Descobriram que a zircónia manteve a sua estrutura cristalina mais forte e estável, mesmo após ser submetida a temperaturas até 1450 graus Celsius. Ao mesmo tempo, o fosfato de cálcio transformou-se em fases específicas conhecidas como hidroxiapatite e beta-fosfato tricálcico, que são os minerais exatos que o corpo utiliza para construir osso novo. Esta estrutura de fase dupla significava que o objeto final não era apenas uma mistura de dois pós, mas um material coeso onde a zircónia resistente fornecia um esqueleto para o fosfato de cálcio bioativo se agarrar. Os investigadores confirmaram estas alterações utilizando técnicas avançadas de imagem e de dispersão de luz, verificando que o material permanecia estável e não se degradava em formas mais fracas durante o processo de fabrico.

O verdadeiro teste de qualquer material de substituição óssea é se consegue resistir às forças físicas do corpo e se as células vivas o aceitarão. Quando os investigadores testaram a resistência das suas amostras de melhor desempenho, que continham 35 por cento de fosfato de cálcio, descobriram que estas podiam suportar uma força de compressão de 180 megapascais. Este nível de resistência enquadra-se perfeitamente no intervalo do osso humano natural, provando que o material é robusto o suficiente para aplicações de suporte de carga. Além disso, quando colocaram células fibroblastos humanas, um tipo de célula de tecido mole, sobre os discos impressos, as células cresceram e prosperaram tão bem no novo material como nas placas de plástico padrão de laboratório. Isto sugere que o material não é tóxico para o tecido vivo e fornece uma superfície amigável para as células se fixarem, um primeiro passo crucial para qualquer implante que pretenda integrar-se no corpo.

Embora os resultados sejam promissores, os investigadores observam que este é um passo preliminar. As amostras que criaram eram cilindros sólidos, e os andaimes ósseos reais precisam frequentemente de ser ocos ou preenchidos com uma rede de poros para permitir que os vasos sanguíneos cresçam através deles. Observaram também que as amostras com quantidades muito elevadas de fosfato de cálcio se tornaram demasiado frágeis para serem manuseadas, indicando que existe um limite para quanto material semelhante ao osso pode ser adicionado antes de a estrutura perder a sua resistência. A equipa concluiu que o seu método criou com sucesso um compósito cerâmico leve, forte e biologicamente amigável, mas o trabalho futuro terá de se focar no refinamento da arquitetura interna destas estruturas e no teste com células formadoras de osso e em animais vivos para ver se podem verdadeiramente regenerar o osso num ambiente clínico.