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Authors
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Abstract(s)
With the passing of the years, scientific evolution has contributed many times to medicine by providing solutions to, what seemed to be, life-long problems for patients. Not all health problems can be fixed with traditional treatments, as not all complications are caused by drug treated diseases. This is especially true with bone related issues. Age, accidents or birth defects can all be at fault for serious skeletal defects that cannot be treated on their own. This necessity to create further solutions to aid in medicine, arose an interest in the scientific community. Fast forward to this day and age, we can now count on a vast number of options to help in bone repair and regeneration, particularly 3D bioprinted scaffolds. In this study, the main goal was to create and optimize a biomaterial that could be used as an ink to create 3D bioprinted structures for future bone regeneration application. The material used consisted of a chitosan (Ch) -based hydrogel with the incorporation of hydroxyapatite (HA), which is known as the most common calcium phosphate present in human bone. Synthetic HA (SYN_HA) was synthesized and showed to be a suitable material for hydrogel preparation; natural HA (NAT_HA) from tuna fish bones, however, also looked as a very interesting alternative, although it still requires some additional work. In the future, with optimized preparation conditions, it would be more sustainable option for patients. Several tests were performed on the hydrogel, to optimize its composition, in particular the most appropriate concentration of HA to include in the hydrogel itself. Tests on the nanocrystals to assess their purity and crystallinity as well the particle size were performed. These were followed by experiments to compare hydrogels with two final HA percentages: 0.125% wt/vol and 0.25% wt/vol. The following analysis were performed: a stability test to study in vitro hydrogel degradation kinetics under physiological conditions; pH, homogeneity and polymerization assessments; a compression test to evaluate mechanical properties of the hydrogel, particularly the stiffness; a bioprintability test, by a hand-extrusion method, that assessed its capability to form fibers without merging, to form 3D constructs. All of these were pre-conditions to determine if they would behave well as a biomaterial ink and for future use on cell viability trials. The ultimate test was the bioprinting of the material where the parameters were optimized, to guarantee a successful reproduction of the printed structures every time. Results showed that the biomaterial with the best concentration of SYN_HA was the 0.125% wt/vol one, as it had the most satisfactory results in all tests performed, confirming it can be used for bioprinting purposes.
Com o passar dos anos, a evolução científica contribuiu muitas vezes para a medicina, fornecendo soluções, para o que pareciam ser, problemas para toda a vida. Nem todos os problemas de saúde podem ser resolvidos com tratamentos tradicionais, pois nem todas as complicações são causadas por doenças tratadas com medicamentos. Isto é especialmente verdade com problemas relacionados com os ossos. Idade, acidentes ou defeitos congênitos podem ser culpados por deformidades esqueléticas graves que não podem ser tratadas por conta própria. Esta necessidade de criar novas soluções para auxiliar na medicina, despertou o interesse da comunidade científica. Atualmente, podemos contar com um grande número de opções para ajudar no reparo e regeneração óssea, particularmente scaffolds 3D bioimpressos. Neste estudo, o principal objetivo foi criar e otimizar um biomaterial que pudesse ser usado como bioink para criar estruturas bioimpressas em 3D para futura aplicação em regeneração óssea. O material utilizado consistiu num hidrogel à base de quitosano com incorporação de hidroxiapatita (HA), que é conhecido como o fosfato de cálcio mais comum presente no osso humano. A HA sintética (SYN_HA) foi sintetizada e mostrou ser um material adequado para a preparação de um hidrogel; HA natural (NAT_HA) de espinhas de atum, no entanto, também se mostrou uma alternativa muito interessante, embora ainda exija algum trabalho adicional. No futuro, com condições de preparo otimizadas, seria uma opção mais sustentável para os pacientes. Vários testes foram realizados no hidrogel, para otimizar a sua composição, em particular a concentração de HA mais adequada para incluir no próprio hidrogel. Foram realizados testes nos nanocristais para avaliar sua pureza e cristalinidade, bem como o tamanho das partículas. Estes foram seguidos por testes para comparar hidrogéis com duas percentagens finais de HA: 0.125% p/vol e 0.25% p/vol. As seguintes análises foram realizadas: um teste de estabilidade para estudar a cinética de degradação do hidrogel in vitro em condições fisiológicas; análise de pH, homogeneidade e polimerização; um teste de compressão para avaliar as propriedades mecânicas do hidrogel, particularmente a rigidez; um teste de bioimpressão, pelo método de extrusão manual, que avaliou a sua capacidade de formar fibras sem se misturar, para formar construções 3D. Todas estas eram pré-condições para determinar se os hidrogéis se comportariam bem como uma biomaterial ink e para uso futuro em testes de viabilidade celular. O teste final foi a bioimpressão do material onde os parâmetros foram otimizados, para garantir sempre uma reprodução bem-sucedida das estruturas impressas. Os resultados mostraram que o biomaterial com melhor concentração de SYN_HA foi o de 0.125% p/vol, pois apresentou os resultados mais satisfatórios em todos os testes realizados, confirmando que pode ser utilizado para fins de bioimpressão.
Com o passar dos anos, a evolução científica contribuiu muitas vezes para a medicina, fornecendo soluções, para o que pareciam ser, problemas para toda a vida. Nem todos os problemas de saúde podem ser resolvidos com tratamentos tradicionais, pois nem todas as complicações são causadas por doenças tratadas com medicamentos. Isto é especialmente verdade com problemas relacionados com os ossos. Idade, acidentes ou defeitos congênitos podem ser culpados por deformidades esqueléticas graves que não podem ser tratadas por conta própria. Esta necessidade de criar novas soluções para auxiliar na medicina, despertou o interesse da comunidade científica. Atualmente, podemos contar com um grande número de opções para ajudar no reparo e regeneração óssea, particularmente scaffolds 3D bioimpressos. Neste estudo, o principal objetivo foi criar e otimizar um biomaterial que pudesse ser usado como bioink para criar estruturas bioimpressas em 3D para futura aplicação em regeneração óssea. O material utilizado consistiu num hidrogel à base de quitosano com incorporação de hidroxiapatita (HA), que é conhecido como o fosfato de cálcio mais comum presente no osso humano. A HA sintética (SYN_HA) foi sintetizada e mostrou ser um material adequado para a preparação de um hidrogel; HA natural (NAT_HA) de espinhas de atum, no entanto, também se mostrou uma alternativa muito interessante, embora ainda exija algum trabalho adicional. No futuro, com condições de preparo otimizadas, seria uma opção mais sustentável para os pacientes. Vários testes foram realizados no hidrogel, para otimizar a sua composição, em particular a concentração de HA mais adequada para incluir no próprio hidrogel. Foram realizados testes nos nanocristais para avaliar sua pureza e cristalinidade, bem como o tamanho das partículas. Estes foram seguidos por testes para comparar hidrogéis com duas percentagens finais de HA: 0.125% p/vol e 0.25% p/vol. As seguintes análises foram realizadas: um teste de estabilidade para estudar a cinética de degradação do hidrogel in vitro em condições fisiológicas; análise de pH, homogeneidade e polimerização; um teste de compressão para avaliar as propriedades mecânicas do hidrogel, particularmente a rigidez; um teste de bioimpressão, pelo método de extrusão manual, que avaliou a sua capacidade de formar fibras sem se misturar, para formar construções 3D. Todas estas eram pré-condições para determinar se os hidrogéis se comportariam bem como uma biomaterial ink e para uso futuro em testes de viabilidade celular. O teste final foi a bioimpressão do material onde os parâmetros foram otimizados, para garantir sempre uma reprodução bem-sucedida das estruturas impressas. Os resultados mostraram que o biomaterial com melhor concentração de SYN_HA foi o de 0.125% p/vol, pois apresentou os resultados mais satisfatórios em todos os testes realizados, confirmando que pode ser utilizado para fins de bioimpressão.
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Keywords
Bioink Bioprinting Bone regeneration Chitosan-based hydrogel Hydroxyapatite Bioimpressão Regeneração óssea Hidrogel de quitosano Hidroxiapatite