Filamentos compósitos de grafeno/poli(ácido lático) para impressão 3D de scaffolds para regeneração de ligamentos

Abstract

O ligamento cruzado anterior (LCA) é o ligamento mais frequentemente sujeito a lesões, com difícil recuperação devido à insuficiente vascularização, sendo necessário uma intervenção cirúrgica para recuperar as funções do joelho. As abordagens atuais para o tratamento incluem enxertos, no entanto este tipo de cirurgia apresenta várias limitações tais como a elevada taxa de recorrência e o facto dos tecidos reparados serem mecanicamente inferiores aos tecidos nativos. A engenharia de tecidos pretende resolver estes problemas, produzindo suportes artificiais (scaffolds) para regeneração do LCA em condições laboratoriais, com o potencial de transplante e com uma elevada taxa de sucesso. No presente trabalho foram desenvolvidos filamentos compósitos baseados em poli (ácido lático) (PLA) e em três tipos de reforço: grafite exfoliada (EG), grafite exfoliada funcionalizada (f-EG) e grafite exfoliada funcionalizada com adição de nanopartículas de prata (f-EG + Ag). A funcionalização da grafite foi efetuada através da reação de cicloadição 1,3-dipolar de um ileto de azometina. As nanopartículas de prata (Ag) foram ancoradas na grafite exfoliada funcionalizada, dado crescerem de forma controlada na presença dos grupos funcionais ligados à EG. Os filamentos nanocompósitos foram produzidos por extrusão, usando uma extrusora de duplo fuso co-rotativo. Os filamentos apresentam 1.75 mm de diâmetro, e foram usados posteriormente para o fabrico de scaffolds por impressão 3D, para potencial aplicação na regeneração do LCA. Foram processados diferentes filamentos compósitos: filamento de PLA, filamento de PLA+0,5% EG, filamento de PLA + 0,5% f-EG e filamento com PLA + 0,5% [(f-EG) + Ag]. A morfologia, propriedades térmicas, elétricas e mecânicas de todos os filamentos produzidos foram avaliadas. As propriedades térmicas dos filamentos produzidos foram melhoradas e a dispersão dos reforços na matriz polimérica foi alcançada, de acordo com os resultados obtidos. Não houve alterações significativas das propriedades elétricas e mecânicas dos filamentos com a adição de grafite exfoliada.

The anterior cruciate ligament (ACL) is the ligament most frequently injured, with difficult recovery due to insufficient vascularisation, requiring surgical intervention to restore knee function. Current approaches to treatment include grafts, but this type of surgery has several limitations, such as a high recurrence rate and the fact that repaired tissues are mechanically inferior to native tissues. Tissue engineering aims to solve these problems by producing artificial supports (scaffolds) for ACL regeneration under laboratory conditions, with the potential for transplantation and a high success rate. In the present work, composite filaments based on poly (lactic acid) (PLA) and on three types of reinforcement were developed: exfoliated graphite (EG), functionalized exfoliated graphite (f-EG) and functionalized exfoliated graphite with addition of silver nanoparticles (f-EG + Ag). The graphite functionalisation was carried out through the 1,3-dipolar cycloaddition reaction of an azomethine ilet. The silver (Ag) nanoparticles were anchored to the exfoliated functionalised graphite as they grew in a controlled manner in the presence of the EG-bound functional groups. The nanocomposite filaments were produced by extrusion, using a co-rotating twin-screw extruder. The filaments are 1.75 mm in diameter and were subsequently used to fabricate scaffolds by 3D printing for potential application in ACL regeneration. Different composite filaments were processed: PLA filament, PLA+0.5% EG filament, PLA + 0.5% f-EG filament and filament with PLA + 0.5% [(f-EG) + Ag]. The morphology, thermal, electrical and mechanical properties of all the produced filaments were evaluated. The thermal properties of the produced filaments were improved and the dispersion of the reinforcements in the polymeric matrix was achieved, according to the results obtained. There were no significant changes in the electrical and mechanical properties of the filaments with the addition of exfoliated graphite.