Orientador: Gustavo Franco Barbosa / Resumo: Há décadas, a engenharia de tecidos passou a ser considerada em diversas aplicações, um tratamento médico adequado, devido suas excelentes vantagens, além da escassez de órgãos e disponibilidade de tecidos para serem transplantados. Conhecida como regeneração de novos tecidos, esse ramo da engenharia biomédica fundamentada nos conhecimentos de Biologia, Química e Física, torna-se uma grande alternativa quando tratamentos farmacêuticos convencionais não são mais aplicáveis, utilizando-se de três tipos básicos de ferramentas: célula, scaffolds e fator de crescimento. Dessa forma, esse trabalho tem como propósito principal a manufatura de scaffolds, utilizando a tecnologia de impressão 3D a partir de polímeros termoplásticos biodegradáveis e fosfatos de cálcio (em escala micrométrica), com o objetivo de se obter estruturas 3D complexas e porosas que apresentem propriedades mecânicas adequadas (em relação a ossos) e interconectividade estruturada entre os poros. Com os modelos 3D dos scaffolds projetados, e a seleção e preparação dos materiais envolvidos, foram realizados ajustes de parâmetros para o processamento dos scaffolds e posterior fabricação dos mesmos, mediante o uso da tecnologia de manufatura aditiva com bioimpressora de microextrusão que utiliza sistema de distribuição pneumático para extrusão contínua do material. Por fim os scaffolds foram caracterizados por técnica de análise de propriedade mecânica por ensaio de compressão e as amostras avaliadas pelo método de M... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: For decades, tissue engineering has come to be considered in several applications, an adequate medical treatment, due to its excellent advantages, in addition to the scarcity of organs and the availability of tissues to be transplanted. Known as regenerating of new tissues, this branch of biomedical engineering grounded in the knowledge of biology, chemistry and physics, becomes a great alternative when conventional pharmaceutical treatments are no longer applicable, using three basic types of tools: cell, scaffolds and growth factor. Thus, the main purpose of this work is the manufacture of scaffolds, using the technology of 3D printing from biodegradable thermoplastic polymers and calcium phosphates (in micrometric scale), with the objective of obtaining complex and porous 3D structures that present properties mechanical (in relation to bones) and structured interconnectivity between the pores. With the 3D models of the scaffolds designed, and the selection and preparation of the materials involved, adjustments were made to the processing parameters of the scaffolds and their subsequent manufacture, using the technology of additive manufacturing with microextrusion bioprinter that uses pneumatic distribution system for continuous extrusion of the material. Finally, the scaffolds were characterized by technique of mechanical property analysis by compression test and the samples evaluated by Scanning Electron Microscopy (SEM) method. / Mestre

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho, copolímeros à base de acrilonitrila e divinilbenzeno foram sintetizados, utilizando a técnica de polimerização em suspensão, na presença de três agentes porogênicos diferentes (álcool isoamílico, metil-etil-cetona e tolueno). Esses copolímeros foram caracterizados por meio da determinação da densidade aparente, do volume e diâmetro de poros, por microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura e foram avaliados quanto à capacidade de inchamento em heptano e tolueno. O principal intuito dessa pesquisa foi correlacionar a formação da estrutura porosa desses materiais com os principais parâmetros de síntese (grau de diluição dos monômeros, poder solvatante do diluente e teor do agente de reticulação). Desses parâmetros, o que mais influenciou na formação da estrutura porosa desses materiais foi o poder solvatante do diluente. A teoria dos parâmetros de solubilidade de Hansen e Hildebrand foi utilizada com o intuito de fazer uma previsão das características porosas dos copolímeros à base de acrilonitrila e divinilbenzeno sintetizados na presença de três diluentes diferentes. Dentre esses diluentes, o álcool isoamílico foi o pior solvente para os copolímeros de AN-DVB, em todos os teores de agente de reticulação e em todas as diluições utilizadas. O tolueno foi o melhor solvente para os copolímeros que contêm altos teores de agente de reticulação. Estas observações estão de acordo com as previsões dos parâmetros de solubilidade de Hansen e Hildebrand. A metil-etil-cetona foi o melhor solvente para os copolímeros que contêm teores intermediários de agente de reticulação. Esta observação só está condizente com o parâmetro de solubilidade de Hansen. / In this work, acrylonitrile-divinylbenzene copolymers were synthesized using the technique of suspension polymerization in the presence of three different solvents (isoamyl alcohol, methyl-ethyl-ketone and toluene). These copolymers were characterized by apparent density, pore volume and pore diameter, optical and scanning electron microscopy, and were evaluated for their ability to swell in heptane and toluene. The principal aim of this research was to correlate the porous structure formation of these materials, with the main synthesis parameters (degree of dilution, solvating power of the diluent and crosslinking degree). Among these parameters, the most important on the formation of the materials porous structure was the solvating power of the diluent. The theory of solubility parameters of Hansen and Hildebrand was used in order to make a prediction of the porous characteristics of acrylonitrile-divinylbenzene copolymers synthesized in the presence of three different diluents. Among these solvents, the isoamyl alcohol was the worst solvent for acrylonitrile-divinylbenzene copolymers, at all levels of crosslinking degree and at all dilutions used. Toluene was the best solvent for the copolymers containing high levels crosslinking degree. These observations are consistent with the predictions of the solubility parameters of Hansen and Hildebrand. The methyl-ethyl-ketone was the best solvent for the copolymers containing intermediate crosslinking degree. This observation is only consistent with the Hansen solubility parameters. In this work, acrylonitrile-divinylbenzene copolymers were synthesized using the technique of suspension polymerization in the presence of three different solvents (isoamyl alcohol, methyl-ethyl-ketone and toluene). These copolymers were characterized by apparent density, pore volume and pore diameter, optical and scanning electron microscopy, and were evaluated for their ability to swell in heptane and toluene. The principal aim of this research was to correlate the porous structure formation of these materials, with the main synthesis parameters (degree of dilution, solvating power of the diluent and crosslinking degree). Among these parameters, the most important on the formation of the materials porous structure was the solvating power of the diluent. The theory of solubility parameters of Hansen and Hildebrand was used in order to make a prediction of the porous characteristics of acrylonitrile-divinylbenzene copolymers synthesized in the presence of three different diluents. Among these solvents, the isoamyl alcohol was the worst solvent for acrylonitrile-divinylbenzene copolymers, at all levels of crosslinking degree and at all dilutions used. Toluene was the best solvent for the copolymers containing high levels crosslinking degree. These observations are consistent with the predictions of the solubility parameters of Hansen and Hildebrand. The methyl-ethyl-ketone was the best solvent for the copolymers containing intermediate crosslinking degree. This observation is only consistent with the Hansen solubility parameters.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho, copolímeros à base de acrilonitrila e divinilbenzeno foram sintetizados, utilizando a técnica de polimerização em suspensão, na presença de três agentes porogênicos diferentes (álcool isoamílico, metil-etil-cetona e tolueno). Esses copolímeros foram caracterizados por meio da determinação da densidade aparente, do volume e diâmetro de poros, por microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura e foram avaliados quanto à capacidade de inchamento em heptano e tolueno. O principal intuito dessa pesquisa foi correlacionar a formação da estrutura porosa desses materiais com os principais parâmetros de síntese (grau de diluição dos monômeros, poder solvatante do diluente e teor do agente de reticulação). Desses parâmetros, o que mais influenciou na formação da estrutura porosa desses materiais foi o poder solvatante do diluente. A teoria dos parâmetros de solubilidade de Hansen e Hildebrand foi utilizada com o intuito de fazer uma previsão das características porosas dos copolímeros à base de acrilonitrila e divinilbenzeno sintetizados na presença de três diluentes diferentes. Dentre esses diluentes, o álcool isoamílico foi o pior solvente para os copolímeros de AN-DVB, em todos os teores de agente de reticulação e em todas as diluições utilizadas. O tolueno foi o melhor solvente para os copolímeros que contêm altos teores de agente de reticulação. Estas observações estão de acordo com as previsões dos parâmetros de solubilidade de Hansen e Hildebrand. A metil-etil-cetona foi o melhor solvente para os copolímeros que contêm teores intermediários de agente de reticulação. Esta observação só está condizente com o parâmetro de solubilidade de Hansen. / In this work, acrylonitrile-divinylbenzene copolymers were synthesized using the technique of suspension polymerization in the presence of three different solvents (isoamyl alcohol, methyl-ethyl-ketone and toluene). These copolymers were characterized by apparent density, pore volume and pore diameter, optical and scanning electron microscopy, and were evaluated for their ability to swell in heptane and toluene. The principal aim of this research was to correlate the porous structure formation of these materials, with the main synthesis parameters (degree of dilution, solvating power of the diluent and crosslinking degree). Among these parameters, the most important on the formation of the materials porous structure was the solvating power of the diluent. The theory of solubility parameters of Hansen and Hildebrand was used in order to make a prediction of the porous characteristics of acrylonitrile-divinylbenzene copolymers synthesized in the presence of three different diluents. Among these solvents, the isoamyl alcohol was the worst solvent for acrylonitrile-divinylbenzene copolymers, at all levels of crosslinking degree and at all dilutions used. Toluene was the best solvent for the copolymers containing high levels crosslinking degree. These observations are consistent with the predictions of the solubility parameters of Hansen and Hildebrand. The methyl-ethyl-ketone was the best solvent for the copolymers containing intermediate crosslinking degree. This observation is only consistent with the Hansen solubility parameters. In this work, acrylonitrile-divinylbenzene copolymers were synthesized using the technique of suspension polymerization in the presence of three different solvents (isoamyl alcohol, methyl-ethyl-ketone and toluene). These copolymers were characterized by apparent density, pore volume and pore diameter, optical and scanning electron microscopy, and were evaluated for their ability to swell in heptane and toluene. The principal aim of this research was to correlate the porous structure formation of these materials, with the main synthesis parameters (degree of dilution, solvating power of the diluent and crosslinking degree). Among these parameters, the most important on the formation of the materials porous structure was the solvating power of the diluent. The theory of solubility parameters of Hansen and Hildebrand was used in order to make a prediction of the porous characteristics of acrylonitrile-divinylbenzene copolymers synthesized in the presence of three different diluents. Among these solvents, the isoamyl alcohol was the worst solvent for acrylonitrile-divinylbenzene copolymers, at all levels of crosslinking degree and at all dilutions used. Toluene was the best solvent for the copolymers containing high levels crosslinking degree. These observations are consistent with the predictions of the solubility parameters of Hansen and Hildebrand. The methyl-ethyl-ketone was the best solvent for the copolymers containing intermediate crosslinking degree. This observation is only consistent with the Hansen solubility parameters.

Escafoldes em alumina foram fabricados e em suas superfícies impregnou-se biovidro e hidroxiapatita; realizou-se análise das propriedades mecânica e de interação célula-escafolde in vitro. Estruturas porosas denominadas escafoldes são utilizadas como suportes para crescimento de tecidos, devem apresentar poros abertos interconectados, com morfologia, distribuição e quantidade de poros que confiram resistência mecânica e induzam o crescimento ósseo. Os escafoldes simulam a matriz extracelular e são a chave para a engenharia de tecidos que está conceituada na cultura prévia de células com proteínas morfogenéticas, oferecendo suporte para o crescimento celular na formação do tecido maduro. Neste trabalho desenvolveu-se técnica de manufatura onde foram conformados escafoldes como corpos-de-prova em alumina, em hidroxiapatita e em alumina infiltrada com biovidro e hidroxiapatita. Os escafoldes foram submetidos a ensaios mecânicos de compressão e sofreram análise de interação com células in vitro. A morfologia e a concentração da porosidade dos escafoldes foram analisadas por microscopia de varredura eletrônica e apresentaram porosidade volumétrica de aproximadamente 70% e diâmetro médio de poros em torno de 190 µm. Observou-se interação das células mais vigorosas e com pronunciada mitose nos escafoldes infiltrados relativamente aos escafoldes de alumina e hidroxiapatita. Os resultados indicaram resistência mecânica para os corpos infiltrados de 43,27 MPa, valor inferior ao observado nos escafolde de alumina 52,27 MPa e muito superior aos de hidroxiapatita 0,28 MPa. Conclui-se que os escafoldes de alumina infiltrados com biovidro e hidroxiapatita apresentaram uma combinação promissora nas características mecânicas e biológicas in vitro com viabilidade econômica. / Alumina scaffolds were manufactured and surface impregnated with bio-glass and hydroxyapatite; the mechanical properties and the in vitro bone-cell and scaffold interaction were analyzed. Porous matrices are usually denominated as scaffolds in tissue engineering and they are used as supports for the tissue growing; they may have open and interconnected pores, with known porous geometry and distribution and with good mechanical strength and be able to induce the tissue cells growing. Scaffolds can work as extra cell matrices, mimic the desired tissue and are considered as the key for the tissue engineering, offering support for the cellular growing in the formation of mature tissue. In this work, manufacture techniques were developed where scaffolds were conformed in alumina, in hydroxyapatite and in alumina infiltrated with bio-glass and hydroxyapatite, as test bodies. The scaffolds were submitted to mechanical compression tests and to the interaction with bone cells in vitro. The morphology and the concentration of the scaffold porosity were analyzed by scanning electronic microscopy (SEM) and they presented porosity concentration near 70,0 vol% and medium diameter of pores around 190,0 µm. The cells interaction strongest and more vigorous bone cell interaction with pronounced mitosis was observed in the alumina scaffolds infiltrated with bio-glass and hydroxyapatite when compared with the alumina scaffolds and hydroxyapatite scaffolds. The results obtained shown lower values of the mechanical strength for the infiltrated scaffolds (43,27 MPa), higher values for non infiltrated alumina scaffold (52,27 MPa) and very low values for the hydroxyapatite scaffolds (0,28 MPa). As observed, final results shown that alumina scaffolds infiltrated with bio-glass and hydroxyapatite presented a promising combination in the mechanical and biological in vitro characteristics with economic viability.

Escafoldes em alumina foram fabricados e em suas superfícies impregnou-se biovidro e hidroxiapatita; realizou-se análise das propriedades mecânica e de interação célula-escafolde in vitro. Estruturas porosas denominadas escafoldes são utilizadas como suportes para crescimento de tecidos, devem apresentar poros abertos interconectados, com morfologia, distribuição e quantidade de poros que confiram resistência mecânica e induzam o crescimento ósseo. Os escafoldes simulam a matriz extracelular e são a chave para a engenharia de tecidos que está conceituada na cultura prévia de células com proteínas morfogenéticas, oferecendo suporte para o crescimento celular na formação do tecido maduro. Neste trabalho desenvolveu-se técnica de manufatura onde foram conformados escafoldes como corpos-de-prova em alumina, em hidroxiapatita e em alumina infiltrada com biovidro e hidroxiapatita. Os escafoldes foram submetidos a ensaios mecânicos de compressão e sofreram análise de interação com células in vitro. A morfologia e a concentração da porosidade dos escafoldes foram analisadas por microscopia de varredura eletrônica e apresentaram porosidade volumétrica de aproximadamente 70% e diâmetro médio de poros em torno de 190 µm. Observou-se interação das células mais vigorosas e com pronunciada mitose nos escafoldes infiltrados relativamente aos escafoldes de alumina e hidroxiapatita. Os resultados indicaram resistência mecânica para os corpos infiltrados de 43,27 MPa, valor inferior ao observado nos escafolde de alumina 52,27 MPa e muito superior aos de hidroxiapatita 0,28 MPa. Conclui-se que os escafoldes de alumina infiltrados com biovidro e hidroxiapatita apresentaram uma combinação promissora nas características mecânicas e biológicas in vitro com viabilidade econômica. / Alumina scaffolds were manufactured and surface impregnated with bio-glass and hydroxyapatite; the mechanical properties and the in vitro bone-cell and scaffold interaction were analyzed. Porous matrices are usually denominated as scaffolds in tissue engineering and they are used as supports for the tissue growing; they may have open and interconnected pores, with known porous geometry and distribution and with good mechanical strength and be able to induce the tissue cells growing. Scaffolds can work as extra cell matrices, mimic the desired tissue and are considered as the key for the tissue engineering, offering support for the cellular growing in the formation of mature tissue. In this work, manufacture techniques were developed where scaffolds were conformed in alumina, in hydroxyapatite and in alumina infiltrated with bio-glass and hydroxyapatite, as test bodies. The scaffolds were submitted to mechanical compression tests and to the interaction with bone cells in vitro. The morphology and the concentration of the scaffold porosity were analyzed by scanning electronic microscopy (SEM) and they presented porosity concentration near 70,0 vol% and medium diameter of pores around 190,0 µm. The cells interaction strongest and more vigorous bone cell interaction with pronounced mitosis was observed in the alumina scaffolds infiltrated with bio-glass and hydroxyapatite when compared with the alumina scaffolds and hydroxyapatite scaffolds. The results obtained shown lower values of the mechanical strength for the infiltrated scaffolds (43,27 MPa), higher values for non infiltrated alumina scaffold (52,27 MPa) and very low values for the hydroxyapatite scaffolds (0,28 MPa). As observed, final results shown that alumina scaffolds infiltrated with bio-glass and hydroxyapatite presented a promising combination in the mechanical and biological in vitro characteristics with economic viability.