manufatura aditiva baseada em extrusão de hidrogéis do...

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Engenharia Mecânica ERONILDO ALVES PINTO JUNIOR Manufatura Aditiva Baseada em Extrusão de Hidrogéis do Sistema Alginato / Nanocelulose CAMPINAS 2019

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  • UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

    Faculdade de Engenharia Mecânica

    ERONILDO ALVES PINTO JUNIOR

    Manufatura Aditiva Baseada em Extrusão de

    Hidrogéis do Sistema Alginato / Nanocelulose

    CAMPINAS

    2019

  • ERONILDO ALVES PINTO JUNIOR

    Manufatura Aditiva Baseada em Extrusão de

    Hidrogéis do Sistema Alginato / Nanocelulose

    Orientador: Prof. Dr. Marcos Akira d’Ávila

    CAMPINAS

    2019

    Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade

    de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual

    de Campinas como parte dos requisitos exigidos

    para obtenção do título de Mestre em Engenharia

    Mecânica, na área de Materiais e Processos de

    Fabricação.

    ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO

    FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO(A)

    ALUNO ERONILDO ALVES PINTO JUNIOR E

    ORIENTADO PELO PROF. Dr. MARCOS AKIRA

    d’ÁVILA.

  • Ficha catalográfica

    Universidade Estadual de Campinas

    Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura

    Rose Meire da Silva - CRB 8/5974

    Pinto Junior, Eronildo Alves, 1990-

    P658m Manufatura aditiva baseada em extrusão de hidrogéis do sistema

    alginato/nanocelulose / Eronildo Alves Pinto Junior. – Campinas, SP : [s.n.],

    2019.

    Orientador: Marcos Akira D'Ávila.

    Dissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade

    de Engenharia Mecânica.

    1. Nanocristais de celulose. 2. Alginatos. 3. Impressão tridimensional. 4.

    Pseudoplasticidade. 5. Reticulação. 6. Hidrogéis. I. D'Ávila, Marcos Akira,

    1972-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia

    Mecânica. III. Título.

    Informações para Biblioteca Digital

    Título em outro idioma: Additive manufacturing based on alginate/nanocellulose system

    hydrogels extrusion

    Palavras-chave em inglês:

    Cellulose nanocrystals

    Alginates

    Three-dimensional printing

    Crosslinking

    Hydrogels

    Área de concentração: Materiais e Processos de Fabricação

    Titulação: Mestre em Engenharia Mecânica

    Banca examinadora:

    Marcos Akira D'ávila

    Carlos Henrique Schuracchio

    Maria Helena Andrade Santana

    Data de defesa: 19-02-2019

    Programa de Pós-Graduação: Engenharia Mecânica

    Identificação e informações acadêmicas do(a) aluno(a)

    - ORCID do autor: http://orcid.org/0000-0001-5157-4379

    - Currículo Lattes do autor: http://lattes.cnpq.br/0762516343952041

    http://orcid.org/0000-0001-5157-4379http://lattes.cnpq.br/0762516343952041

  • UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

    FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA

    COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

    DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MANUFATURA E

    MATERIAIS

    DISSERTAÇÃO DE MESTRADO ACADÊMICO

    Manufatura Aditiva Baseada em Extrusão de

    Hidrogéis do Sistema Alginato / Nanocelulose

    Autor: Eronildo Alves Pinto Junior

    Orientador: Marcos Akira d’Ávila

    A Banca Examinadora composta pelos membros abaixo aprovou esta Dissertação:

    Prof. Dr. Marcos Akira d’Ávila

    DEMM/FEM/Universidade Estadual de Campinas

    Prof. Dr. Carlos Henrique Scuracchio

    DEMa/CCET/Universidade Federal de São Carlos

    Prof. Dr.a Maria Helena Andrade Santana

    DEMBio/FEQ/ Universidade Estadual de Campina

    A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida

    acadêmica do aluno.

    Campinas, 19 de fevereiro de 2019.

  • Dedicatória

    Aos meus queridos pais, por todo apoio e dedicação durante minha trajetória educacional e

    profissional.

    À minha filha, pois ela é o motivo por quem sempre busco o melhor.

    Aos meus amigos, por sempre estarem comigo em todos os momentos.

    À Mila, que entrou na minha vida trazendo muito amor, companheirismo e felicidade.

    Eronildo

  • Agradecimentos

    Gostaria de agradecer e expressar minha gratidão a todas as pessoas que contribuíram

    para a coclusão dessa dissertação:

    A Deus pelo dom da vida.

    Aos meus pais e irmãos, que são a base de tudo na minha vida, por todo apoio, carinho e

    dedicação.

    A Anita Marchionatti, por todo apoio, dedicação, amor e carinho em cuidar da nossa filha.

    Ao Prof. Dr. Marcos Akira d’Ávila por depositar sua confiança em meu trabalho, por suas

    orientações e contribuições para esta pesquisa.

    O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal

    de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001.

    Aos meus amigos e colegas de laboratório José Luis, Rosemeire, Ana Flávia, Jéssica, Nicolao,

    Taís, Vicente, pelas discussões e suas valiosas sugestões e críticas.

    À Dra. Maria Helena Andrade Santana e Carla França, por disponibilizar o uso de o

    equipamento Zetasizer e o liofilizador do Laboratório de Desenvolvimento de Processos

    Biotecnológicos.

    Para Mila e Tonton, obrigado pelo carinho e apoio.

    Aos técnicos de laboratório Claudenete Vieira Leal e Eduardo.

  • Resumo

    Hidrogéis são redes de polímeros reticulados com propriedades hidrofílicas. São

    materiais com capacidade de armazenamento de água, devido aos grupos funcionais

    hidrofílicos presentes na cadeia polimérica. Juntamente com os processos de manufatura

    aditiva (MA) as aplicações no campo biomédico são extensas. Estes materiais são usados para

    obter tintas e biotintas. Estes últimos são sistemas carregados com células. O estudo das

    propriedades reológicas desses materiais no contexto da MA desempenha um papel

    importante para definir a sua aplicabilidade. Nesta pesquisa, hidrogéis nanocompósitos em

    suspensão aquosa, formados por alginato e celulose nanocristalina (CNCs) foram estudados

    para impressão 3D baseada em extrusão visando à construção de scaffolds para aplicações em

    Engenharia de Tecidos. Interações eletrostáticas entre os CNCs e o alginato ocorrem na

    suspensão aquosa. Então, é possível obter hidrogéis com propriedades adequadas para MA

    como uma função da composição. Assim, analisou-se o comportamento reológico deste

    sistema, onde foram obtidos hidrogéis fisicamente reticulados de Alginato/CNCs. Os

    hidrogéis foram internamente reticulados por ligações iônicas, e a cinética de reticulação foi

    monitorada por meio do estudo do módulo de armazenamento (G’) com o tempo. Os dados

    experimentais foram bem descritos quando comparados com o modelo da equação de Hill

    modificada, onde foi observado que o processo de reticulação interna é atrasada sob a

    presença de CNCs. Seguidamente, foi obtida uma tinta com prorpiedades adequadas para o

    processo de extrusão por meio de um procolo de obtenção e avaliação de tintas e biotintas.

    Um comportamento pseudoplástico descrito pelo modelo de lei das potências de Ostwald-de

    Waele foi obervado para altas concentrações de CNC. O teste de recuperação da viscosidade

    demonstrou uma recuperação rápida da estrutura, que não apresentou dependência da taxa de

    cisalhamento. Os testes de varredura de amplitude e frequência mostraram que a tinta com as

    propriedades reológicas adequadas para o processo de extrusão teve um comportamento

    viscoelástico do tipo sólido (solid-like). Em seguida, testes de impressão 3D foram realizados

    usando um sistema acionado por pistão. Composições adequadas para o processo de extrusão

    foram identificadas, os parâmetros de impressão foram estudados e scaffolds com diferentes

    números de camadas foram obtidos.

  • Palavras Chave: Nanocristais de celulose (CNC); Alginato; Pseudoplástico; Solid-like;

    Reticulação interna; Hidrogéis; Impressão 3D.

  • Abstract

    Hydrogels are networks of crosslinked polymers with hydrophilic properties. They are

    materials with water storage capacity, due to the hydrophilic functional groups present in the

    polymer chain. Together with the additive manufacturing (AM) processes the applications in

    the biomedical field are extensive. These materials are used to obtain inks and bioinks. The

    latter are cell-loaded systems. The study of the rheological properties of these materials in the

    context of AM plays an important role in defining their applicability. In this research, aqueous

    suspension nanocomposites, formed by alginate and nanocrystalline cellulose (CNCs) were

    studied for extrusion-based 3D printing for the construction of scaffolds for applications in

    Tissue Engineering. Electrostatic interactions between CNCs and alginate occur in the

    aqueous suspension. Then, it is possible to obtain hydrogels having properties suitable for

    MA as a function of the composition. Thus, the rheological behavior of this system, where

    physically crosslinked Alginate / CNC hydrogels were obtained. The hydrogels were

    internally crosslinked by ionic bonds, and the crosslinking kinetics was monitored by

    studying the storage modulus (G') over time. The experimental data were well described when

    compared to the model of the modified Hill equation where it was observed that the internal

    crosslinking process is delayed under the presence of CNCs. Thereafter, an ink having

    properties suitable for the extrusion process was obtained by means of a process for the

    preparation and evaluation of inks and bioinks. A pseudoplastic behavior described by the

    Ostwald-de Waele power law model was observed for high concentrations of CNC. The

    viscosity recovery test showed a rapid recovery of the structure, which showed no shear rate

    dependence. The amplitude and frequency sweep tests showed that the ink with the

    rheological properties suitable for the extrusion process had a solid-like viscoelastic behavior.

    Then, 3D printing tests were performed using a piston driven system. Suitable compositions

    for the extrusion process were identified, the printing parameters were studied and scaffolds

    with different numbers of layers were obtained.

    Key Word: Cellulose Nanocrystals (CNC); Alginate; Shear-thinning; Solid-like;

    Internal gelation; hydrogels; 3D Printing.

  • Lista de Ilustrações

    Figura 2.1: Esquema representativo de hidrogéis de origem química e física (Aouada, 2009).

    .................................................................................................................................................. 22

    Figura 2.2: Esquema de classificação dos hidrogéis. Traduzido de (Laftah et al., 2011). ....... 23

    Figura 2.3: Esquema de classificação dos hidrogéis quanto ao tipo de reticulação. Adaptado

    de (Hamidi et al., 2008). ........................................................................................................... 24

    Figura 2.4: Estrutura química da celulose (Habibi et al., 2010). .............................................. 26

    Figura 2.5: Representação esquemática do isolamento do CNC. Adaptado de (Benavides,

    2011). ........................................................................................................................................ 27

    Figura 2.6: Forma morfológica dos CNCs de origem bacteriana e de tunicados (Moon et al.,

    2016). ........................................................................................................................................ 28

    Figura 2.7: Estrutura polimérica do alginato (Coma, 2013). .................................................... 29

    Figura 2.8: Estrutura de reticulação iônica dos blocos G de alginato com íons de cálcio

    (Marriott et al., 2014). .............................................................................................................. 30

    Figura 2.9: Abordagem da engenharia tecidual mediante a utilização de scaffolds. (Dávila

    Sánchez, 2014). ........................................................................................................................ 33

    Figura 2.10: Elementos chave da engenharia tecidual (Khang et al., 2007). ........................... 34

    Figura 2.11: Principais requisitos dos scaffolds (Dávila Sánchez, 2014). ................................ 35

    Figura 2.12: Abordagens de impressão 3D envolvendo o uso de hidrogéis. Traduzido de

    (Malda et al., 2013). ................................................................................................................. 38

    Figura 2.13: Viscosidade pela taxa de cisalhamento para fluidos Newtonianos e diferentes

    não-Newtonianos. Traduzido de (Jungst et al., 2015). ............................................................. 45

    Figura 2.14: Curvas de viscosidade descrevendo o comportamento reológico geral de uma

    dispersão de 3% de nanocelulose e 3% de solução de alginato. (Gatenholm et al., 2016). ..... 46

    Figura 2.15: Ilustração do papel da viscosidade na Impressão 3D. A gelatina metacrilada

    (gelMA), forma gotículas na ponta da agulha (A), resultando na deposição de fios que se

    espalham na superfície (C). Quando ácido hialurônico (HA) são adicionados, os filamentos

    podem ser depositados a partir da ponta da agulha (B), resultando em uma construção de

    quatro camadas (D). As barras de escala em A-C representam 5 mm; a barra de escala em D é

    de 2 mm. (Schuurman et al., 2013). ......................................................................................... 47

  • Figura 2.16: Representação esquemática da origem da pseudoplasticidade e tensão de

    escoamento na impressão de gelatina metacrilada (gelMA)/goma de gelano. Na seringa, as

    cadeias de gelano (em branco) formam uma rede temporária e induzem uma viscosidade

    semelhante a gel (gel-like viscosity) (i). Ao dispensar através de uma agulha, a rede

    temporária é quebrada por cisalhamento e todas as cadeias poliméricas se alinham, reduzindo

    a viscosidade por ordens de magnitude (ii). Imediatamente após a remoção da tensão de

    cisalhamento, a rede temporária é restaurada e o filamento plotado solidifica instantaneamente

    (iii). (Schuurman et al., 2013). ................................................................................................. 49

    Figura 2.17: Interpretação física da tensão de cisalhamento em SAOS (Morrison, 2001). ..... 51

    Figura 2.18: Esquema de como o cisalhamento oscilatório de pequena amplitude é produzido.

    (Morrison, 2001). ...................................................................................................................... 53

    Figura 3.1: Gel de Alginato/CNC ............................................................................................. 59

    Figura 3.2: Potencial zeta das amostras (a) 2% (m/m) de alginato, (b) 10% (m/m) de CNC e (c)

    mistura 2% (m/m) de alginato e 10% (m/m) de CNC. .............................................................. 62

    Figura 3.3: Distribuição do tamanho de partículas do CNC em função da intensidade. .......... 63

    Figura 3.4: Viscosidade como função da taxa de cisalhamento (a) 0% (m/m) de alginato, (b)

    1% (m/m) de alginato e (c) 2% (m/m) de alginato. .................................................................. 64

    Figura 3.5: Fator de amortecimento em função da frequência angular: (a) 0% em massa de

    alginato, (b) 0% em massa de CNC (c) 1% em massa de alginato e (d) 2% em massa de

    alginato. .................................................................................................................................... 66

    Figura 3.6: Esquema de formação de ligações de hidrogênio entre os grupos carboxílicos

    COO- do alginato e os grupos OH- presentes na superfície das hastes do CNC (Deepa et al,

    2016). ........................................................................................................................................ 67

    Figura 3.7: Reticulação interna do alginato (Férres, 2014) ...................................................... 68

    Figura 3.8: Módulo de armazenamento G' (símbolos sólidos) e módulo de perda (G'')

    (símbolos abertos) como função da frequência angular (ω). ................................................... 68

    Figura 3.9: Cinética de reticulação: (a) G '(símbolos abertos), G'' (símbolos sólidos) e (b) fator

    de amortecimento como uma função do tempo. ....................................................................... 70

    Figura 4.1: Fluxograma do protocolo de avaliação e obtenção de tintas para impressão 3D por

    extrusão. Traduzido de (Dávila, 2018). .................................................................................... 77

    Figura 4.2: Sistema modular para impressão 3D de extrusão .................................................. 78

    file:///C:/Users/3DCloner/Desktop/Dissertação%20-%20ERO-FINAL.docx%23_Toc8722172file:///C:/Users/3DCloner/Desktop/Dissertação%20-%20ERO-FINAL.docx%23_Toc8722172file:///C:/Users/3DCloner/Desktop/Dissertação%20-%20ERO-FINAL.docx%23_Toc8722172

  • Figura 4.3: (a) Viscosidade (ƞ) em função da taxa de cisalhamento (𝛾) para amostras contendo

    2% (m/m) de alginato e variando a concentração de CNC (0 a 10% m/m), Módulo de

    armazenamento (𝐺′) (símbolos sólidos) e módulo de perda (𝐺′′) (símbolos abertos) em função

    de: (b) tensão (𝛾) e (c) frequência angular (𝜔). ........................................................................ 81

    Figura 4.4: Imagens de microscopia óptica mostrando a extrusão de uma mistura contendo (a)

    2% de alginato puro, (b) 2% de alginato com 6% de CNC, (c) 2% de alginato com 8% de

    CNC e (d) 2% de alginato com 10% de CNC. A barra de escala representa 1 𝑚𝑚. ............... 83

    Figura 4.5: Viscosidade (𝜂) em função do tempo (𝑡) para o teste de recuperação. A taxa de

    cisalhamento (𝛾) aumenta de 100 para 500 𝑠 -1. ....................................................................... 84

    Figura 4.6: Formação do filamento variando as velocidades de extrusão e impressão. (a) Ve =

    0,526 mm.min-1

    e Vi = 10 mm.s-1

    , (b) 0,526 mm.min-1

    e Vi = 20 mm.s-1

    , (c) 0,526 mm.min-1

    e

    Vi = 30 mm.s-1

    , (d) 1,052 mm.min-1

    e Vi = 10 mm.s-1

    , (e) 1,052 mm.min-1

    e Vi = 20 mm.s-1

    ,

    (f) 1,052 mm.min-1

    e Vi = 30 mm.s-1

    , (g) 1,578 mm.min-1

    e Vi = 10 mm.s-1

    , (h) 1,578

    mm.min-1

    e Vi = 20 mm.s-1

    e (i) 1,578 mm.min-1

    e Vi = 10 mm.s-1

    . ........................................ 85

    Figura 4.7: Largura do filamento em função da velocidade de impressão (Vi) para diferentes

    velocidades de extrusão (Ve). ................................................................................................... 86

    Figura 4.8: Amostras impressas: (a) 10 camadas sem agente reticulador, (b) 30 camadas sem

    agente reticulador, (c) 10 camadas com agente reticulador e (d) 30 camadas com agente

    reticulador. ................................................................................................................................ 87

    Figura 4.9: Qualidade da impressão em função do tempo de reticulação: (a) após 1 hora, (b)

    após 2 horas, (c) após 3 horas e (d) tan𝛿 em função do tempo. ............................................... 88

  • Lista de Tabelas

    Tabela 2.1: Polissacarídeos importantes, fontes e principais aplicações (Brant, 2008). .......... 21

    Tabela 2.2: Fontes dos íons cálcio, solubilidade e velocidade de reticulação. ......................... 31

    Tabela 2.3: Características do hidrogel de alginato quando utilizada a técnica de transferência

    direta induzida por laser. Modificado de (Malda et al., 2013). ................................................ 39

    Tabela 2.4: Características de diferentes hidrogéis quando utilizada a técnica de impressão por

    jato de tinta. Modificado de (Malda et al., 2013). .................................................................... 40

    Tabela 2.5: Principais características das três abordagens de impressão 3D à base de

    hidrogéis. Traduzido de (Malda et al., 2013). .......................................................................... 41

    Tabela 2.6: Características de diferentes hidrogéis quando utilizada a técnica de impressão por

    extrusão. Modificado de (Malda et al., 2013). ......................................................................... 42

    Tabela 2.7: Modelos Reológicos Para Comportamento de Fluxos. ......................................... 50

    Tabela 2.8: Comportamento viscoelástico Segundo valor de tan𝛿. ......................................... 55

    Tabela 3.1: Concentrações das suspensões de Alginato / CNC. .............................................. 59

    Tabela 3.2: Parâmetros de ajuste de dados experimentais usando a equação de Hill modificada

    (Eq. 3.1). ................................................................................................................................... 70

    Tabela 3.3: Potencial zeta ......................................................................................................... 62

    Tabela 4.1: Parâmetros de ajuste do modelo de viscosidade Ostwald-de Waele. .................... 81

    Tabela 4.2: Valores de tan𝛿 em função do tempo de reticulação. ........................................... 89

  • Sumário

    1 INTRODUÇÃO ................................................................................................ 16

    1.1 Objetivos ............................................................................................................................... 18

    2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ....................................................................... 20

    2.1 Polímeros naturais ................................................................................................................ 20

    2.2 Hidrogéis ............................................................................................................................... 21

    2.2.1 Classificação dos Hidrogéis................................................................................. 23

    2.2.2 Tipos de Reticulação ........................................................................................... 24

    2.2.3 Nanocelulose ....................................................................................................... 26

    2.2.4 Alginato ............................................................................................................... 29

    2.3 Aplicações na Engenharia Tecidual................................................................................... 32

    2.3.1 Scaffolds para Engenhara Tecidual ..................................................................... 34

    2.3.2 Biomateriais para fabricação de scaffolds ........................................................... 37

    2.4 Sistemas de impressão 3D à base de hidrogéis ................................................................ 37

    2.4.1 Transferência direta induzida por lazer ............................................................... 38

    2.4.2 Impressão de jato de tinta .................................................................................... 39

    2.4.3 Impressão por extrusão ........................................................................................ 41

    2.5 Propriedades dos hidrogéis para impressão 3D ............................................................... 43

    2.5.1 Reologia ............................................................................................................... 44

    2.5.2 Viscosidade .......................................................................................................... 46

    2.5.3 Pseudoplasticidade .............................................................................................. 48

    2.5.4 Cisalhamento oscilatório de pequena amplitude (SAOS) ................................... 50

    3 ESTUDOS REOLÓGICOS EM SUSPENSÕES DE CELULOSE

    NANOCRISTALINA E ALGINATO ............................................................... 57

    3.1 Materiais e Métodos ............................................................................................................ 57

    3.1.1 Materiais .............................................................................................................. 57

  • 3.1.2 Preparação das suspensões .................................................................................. 58

    3.1.3 Potencial zeta e tamanho de partícula.................................................................. 60

    3.1.4 Caracterização Reológica .................................................................................... 60

    3.1.5 Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR) ........... 61

    3.2 Resultados e Discussão ....................................................................................................... 61

    3.2.1 Potencial zeta e tamanho de partícula.................................................................. 61

    3.2.2 Caracterização de cisalhamento no estado estacionário ...................................... 63

    3.2.3 Caracterização de varredura de frequência e cinética de reticulação .................. 65

    3.2.4 Estrutura química ................................................................................................. 71

    3.3 Conclusões parciais .............................................................................................................. 72

    4. IMPRESSÃO POR EXTRUSÃO DE HIDROGÉIS DE ALGINATO E

    CELULOSE NANOCRISTALINA ................................................................... 74

    4.1 Materiais e Métodos ............................................................................................................ 75

    4.1.1 Materiais .............................................................................................................. 75

    4.1.2 Formulação dos géis ............................................................................................ 75

    4.1.3 Protocolo de obtenção da tinta............................................................................. 76

    4.1.4 Teste de formação de filamento .......................................................................... 78

    4.1.4 Impressão por extrusão ........................................................................................ 79

    4.2 Resultados e Discussão ....................................................................................................... 79

    4.2.1 Protocolo de avaliação e obtenção da tinta .......................................................... 79

    4.2.2 Impressão 3D baseada em extrusão ..................................................................... 84

    4.3 Conclusões parciais .............................................................................................................. 89

    5 CONCLUSÕES ................................................................................................ 90

    Referências........................................................................................................... 92

  • 16

    1 INTRODUÇÃO

    Nos últimos anos, a biofabricação tem ganhado grande atenção. Neste campo de

    pesquisa relativamente jovem, as tecnologias de montagem automatizada ou manufatura

    aditiva (MA) são exploradas para gerar construções tridimensionais híbridas de biomateriais e

    células (Groll et al., 2016). Esta abordagem contém grandes promessas de oferecer soluções

    para alguns dos desafios persistentes e ainda não resolvidos da engenharia tecidual e da

    medicina regenerativa, como a vascularização ou a inervação. Pesquisadores de diferentes

    formações científicas tentam resolver alguns dos principais gargalos deste campo de pesquisa

    altamente interdisciplinar. Dentre os desafios, a disponibilidade de materiais adequados para a

    fabricação de construções hierárquicas e complexas é um dos principais desafios que limitam

    o desenvolvimento da biofabricação. Nesse campo de pesquisa, as biotintas (bioinks), que

    consistem em biomateriais e células com propriedades adequadas para manufatura aditiva ou

    impressão tridimensional, são especialmente interessantes e são promissoras para a obtenção

    de tais estruturas. A classe mais proeminente de materiais como tintas são os hidrogéis,

    porque eles podem fornecer características como biocompatibilidade, bioabsorção e até certa

    resistência mecânica, promovendo assim um microambiente viável para a fixação,

    crescimento e proliferação de células (Rowley et al., 1999). A capacidade de impressão é

    definida pelas propriedades reológicas dos materiais e deve ser ajustada ao tipo de processo

    de fabricação para gerar objetos tridimensionais com alta fidelidade à forma.

    As principais técnicas de MA de hidrogéis são impressão a jato de tinta, transferência

    direta induzida por laser e impressão por extrusão (Jungst et al., 2015; Malda et al., 2013;

    Murphy e Atala, 2014). Em particular, a impressão baseada em extrusão se destaca, pois é o

    processo mais versátil, com condições de proporcionar boas condições de processamento e

    qualidade do produto final (Jungst et al., 2015).

    Embora a impressão baseada em extrusão ofereça uma plataforma de fabricação

    flexível, as exigências reológicas impostas aos hidrogéis para impressão são mais específicas.

    A análise reológica pode ajudar a acelerar o desenvolvimento de materiais imprimíveis. Na

  • 17

    literatura podem ser encontradas pesquisas nas quais são apresentados técnicas de análise

    reológica e modelos matemáticos que ajudam a compreender melhor a capacidade de

    impressão de materiais (Tian et al., 2009; Bendtsen, 2017; Kelly, 2015).

    Um dos sistemas de hidrogéis promissores para impressão por extrusão são os hidrogéis

    nanocompósitos. A utilização conjunta de partículas de dimensões nanométricas e polímeros

    biocompatíveis em suspensão pode resultar em materiais que associam propriedades

    reológicas adequadas para a MA com boas propriedades mecânicas e biocompatibilidade

    características dos hidrogéis. Dentre os sistemas de hidrogéis nanocompósitos para aplicações

    em MA destaca-se o sistema Alginato/nanocelulose.

    Os nanocristais de celulose (CNCs) são partículas semelhantes a hastes em escala

    nanométrica obtidas a partir de materiais celulósicos, como polpa de madeira, bactérias,

    cânhamo, entre outros (Lin et al., 2012a; Liu et al., 2011). As vantagens dos CNCs incluem

    sua alta resistência mecânica, biodegradabilidade, baixa toxicidade, boa estabilidade térmica e

    custo relativamente baixo (Azizi Samir et al., 2005; Eichhorn, 2011). Os CNCs possuem

    propriedades reológicas únicas devido à sua alta taxa de proporção e densidade de grupos de

    hidroxilas de superfície quando comparado aos outros grupos funcionais. Em relação ao

    comportamento reológico, partículas coloidais no formato de hastes são mais eficientes para a

    obtenção de comportamento altamente pseudoplástico e comportamento viscoelástico com

    predominância de comportamento elástico (Mewis e Wagner, 2012). Esse tipo de

    comportamento, tipicamente observado em suspensões concentradas de nanocristais de

    celulose, é de grande interesse em aplicações na manufatura aditiva (AM).

    Os hidrogéis de alginato de sódio têm sido amplamente pesquisados e utilizados em

    uma ampla gama de aplicações, desde agentes espessantes em alimentos até agentes de

    imobilização e scaffolds para engenharia tecidual (Lee e Mooney, 2012; Sun e Tan, 2013). O

    alginato é um polissacarídeo aniônico que pode ser extraído de macroalgas ou culturas

    bacterianas. É um copolímero de (1-4) ligado a β-D-manuronato (M) e resíduos de α-L-

    guluronato (G) (Gacesa, 1988; Percival, 1979). A biocompatibilidade inata do alginato o

    torna favorável para uso em muitas aplicações biomédicas. Suas propriedades de reticulação

  • 18

    permitem a encapsulação de células, fármacos, fatores de crescimento para o tratamento de

    uma variedade de doenças, incluindo infecções, úlceras e cicatrização de feridas (Smidsrod et

    al., 1990; Szekalska et al., 2016). O alginato tem sido extensivamente estudado para a

    cicatrização de feridas sob a forma de biocurativos, uma vez que filmes finos são facilmente

    obtidos através do controle de suas propriedades de reticulação (Pereira et al., 2013).

    Diante deste cenário os processos de manufatura aditiva apresentam um grande

    potencial para desenvolver estruturas tridimensionais, então, a engenharia tecidual pode ser

    estudada de forma mais profunda aplicando os processos que atualmente podem ser

    desenvolvidos com equipamentos de baixo custo, com isso, esta pesquisa se concentra no

    desenvolvimento de protocolos apropriados para avaliar e obter tintas com uma capacidade

    ótima de impressão. Assim, associar as propriedades reológicas envolvidas em cada estágio

    do processo permitirá obter formulações de tinta ótimas para impressão 3D baseada em

    extrusão, onde o método de reticulação interna pôde ser aplicado durante a impressão para

    obter hidrogéis, não sendo necessária a etapa de reticulação após a impressão.

    1.1 Objetivos

    O objetivo desse trabalho foi estudar a reologia de hidrogéis nanocompósitos do sistema

    Alginato/Nanocelulose visando a manufatura aditiva por extrusão desse sistema para a

    obtenção de estruturas com potencial em aplicações na engenharia tecidual.

    As seguintes etapas foram realizadas para alcançar o objetivo desse trabalho:

    Estudo do comportamento reológico de soluções aquosas de alginato de sódio e

    suspensões de Alginato/CNC em diferentes concentrações, buscando avaliar as

    interações entre CNC e cadeias de alginato e sua influência no comportamento

    reológico;

    Obtenção de hidrogéis com comportamento reológico apropriado para o

    processo de impressão baseado em extrusão 3D;

  • 19

    Estudo dos parâmetros de impressão e fazer correlações com os estudos

    reológicos;

    Estudo da reticulação interna do Alginato/CNC e reticulação de estruturas

    impressas

  • 20

    2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

    2.1 Polímeros naturais

    Polímeros naturais são produzidos e extraídos da natureza. Exemplos incluem borracha

    natural, amido, colágeno, seda, celulose, gelatina, goma de gelana e alginato. A vantagem

    destes polímeros é que a maioria são biocompatíveis e biodegradáveis porque são derivados

    de materiais naturais. No entanto, estes polímeros usualmente têm propriedades mecânicas

    baixas e podem apresentar variações de lote devido à sua origem natural (Kelly, 2015).

    Uma das principais classes dos polímeros naturais são os polissacarídeos. Esses são formados

    por carboidratos de alta massa molar e complexos coloidais que quando se hidrolisam formam

    monossacarídeos de 5 ou 6 átomos de carbono. Os polissacarídeos são produzidos com uma

    combinação única de propriedades funcionais e características favoráveis ambientalmente.

    Tanto na forma original ou modificados, possuem boas propriedades mecânicas, ainda que

    menores quando comparados com os polímeros sintéticos e são utilizados em aplicações

    como fibras, filmes, adesivos, plásticos processáveis fundidos, espessantes, modificadores

    reológicos, hidrogéis, carreadores de drogas, emulsificantes, entre outras aplicações. Grande

    parte dos polissacarídeos é biodegradável e não tóxicos, justificando a grande aplicabilidade

    na área biomédica (Kelly, 2015). A Tabela 2.1 apresenta uma lista de alguns polissacarídeos

    utilizados em diferentes aplicações.

  • 21

    Tabela 2.1: Polissacarídeos importantes, fontes e principais aplicações (Brant, 2008).

    Polissacarídeo Fonte Principal Principais Aplicações Referência

    Ágar Algas-marinhas Biotecnologia (suporte

    para cultura de bactérias)

    (De Ruiter & Rudolph,

    1997)

    Goma xantana Soro de leite

    microrganismos

    Indústria de alimentos (Nitschke et al., 2001)

    Celulose de derivados

    Plantas

    Indústria de papel, têxtil,

    fármacos, aditivos de

    plantas, medicina

    regenerativa, biomateriais

    (D’almeida, 1998)

    (Paavola et al., 1998)

    (Mahli et al., 2005)

    Amido e derivados Milho, fécula de

    mandioca

    Indústria de alimentos,

    fármacos, aprestos têxteis

    (Queji et al., 2006)

    (Liporacci et al., 2005)

    Alginato de sódio Algas (Gelidium

    cartilagineum, Gracilaria

    confervoides

    Cosméticos, fármacos,

    biomateriais

    (De Ruiter & Rudolph,

    1997)

    Dextrana Processo fermentativo

    (Leuconostoc

    mesenteroídes)

    Indústria do açúcar

    (Honorato et al., 2005)

    Carragena Algas-marinhas

    (Kappaphycus cutonni

    Indústria de aditivos para

    alimentos, fármacos,

    cosméticos

    (Gomez et al., 2007)

    Hialurona (n-ácido

    hialurônico)

    Cartilagens Fármacos, cosméticos,

    biomateriais

    (Li et al., 2007)

    (Yun et al., 2004)

    Quitina e quitina

    modificada

    Exoesqueleto dos

    crustáceos

    Tratamento de efluentes,

    Biomateriais

    (Kumar, 2000)

    (Khor, 2002)

    Quitosana Destilação da quitina,

    paredes celulares de

    fungos

    Liberação controlada de

    fármacos, biomateriais

    (Kumar, 2000)

    2.2 Hidrogéis

    Hidrogéis são constituídos de redes de polímeros reticulados com propriedades

    hidrofílicas. São constituídos por materiais com capacidade de armazenamento de água de

  • 22

    mais de 90%, devido em parte aos grupos funcionais hidrofílicos presentes na cadeia

    polimérica. Esses grupos atraem o dipolo negativo nas moléculas de água, que são então

    confinadas pela reticulação das redes poliméricas (Peppas e Khare, 1993). As redes de

    polímeros que atuam nesses sistemas podem ser cadeias naturais ou sintéticas, e podem ser

    reticuladas por ligações covalentes ou iônicas. As propriedades dos hidrogéis podem variar

    dependendo da seleção do monômero, das condições de síntese, do grau de intumescimento,

    da densidade de reticulação ou das mudanças nos estímulos, incluindo temperatura, pH e

    concentração de sal (Horkay et al., 2001; Kamata et al., 2014; Eliyahu-Gross e Bitton, 2013 e

    Anseth et al., 1996).

    Os hidrogéis podem ser diferenciados de acordo com o método de formação e

    manutenção de sua estrutura polimérica. Deste modo, temos os géis formados por estruturas

    que se mantêm como resultado de interações a nível intermolecular como ligações iônicas

    secundárias, ligações de hidrogênio entre outras, esses são chamados de géis reversíveis ou

    físicos. Por outro lado, temos os géis formados por estruturas químicas resultantes de ligações

    covalentes, que são chamados de géis permanentes ou químicos (Ratner et al., 2004). O

    esquema de preparação dos géis físicos e químicos é mostrado na Figura 2.1. Uma descrição

    mais extensa dos tipos de reticulação está apresentada na seção 2.2.2.

    Figura 2.1: Esquema representativo de hidrogéis de origem química e física (Aouada, 2009).

  • 23

    2.2.1 Classificação dos Hidrogéis

    Hidrogéis são classificados com base em diferentes pontos de vista. De um ponto de

    vista morfológico eles são classificados em partículas, pó, esféricos, fibras, membranas e

    emulsões. Do ponto de vista dos recursos materiais, os hidrogéis também podem ser divididos

    em macromoléculas naturais, polímeros semissintéticos e polímeros sintéticos. Do ponto de

    vista do método de preparação, eles são classificados como polimerização por enxerto,

    polimerização de reticulação, formação de redes de polímero solúvel em água e reticulação

    por radiação. Além disso, os hidrogéis podem ser classificados de acordo com a constituição

    da origem, o tipo de interligação e a resposta ambiental (Singh et al., 2008). Os hidrogéis que

    possuem resposta ambiental são chamados de "hidrogéis inteligentes" e são classificados de

    acordo com sua sensibilidade à temperatura, eletricidade, luz, campo sonoro, campos

    magnéticos e pH. A classificação dos hidrogéis é ilustrada na Figura 2.2.

    Figura 2.2: Esquema de classificação dos hidrogéis. Traduzido de (Laftah et al., 2011).

  • 24

    2.2.2 Tipos de Reticulação

    Uma das formas de classificação dos hidrogéis é em relação ao seu tipo de reticulação.

    A reticulação é o processo pelo qual as cadeias de polímero são fisicamente ou quimicamente

    ligadas sem polimerização. Esta ligação restringe qualquer movimento das cadeias e cria uma

    estrutura de rede polimérica com propriedades viscoelásticas (Kelly, 2015). O tipo e o grau de

    reticulação influenciam muitas das propriedades da rede, como propriedades de

    intumescimento, módulo de elasticidade e transporte de moléculas (Kuo e Ma, 2001).

    A Figura 2.3 apresenta os métodos de reticulação química e física (Hamidi et al., 2008).

    Figura 2.3: Esquema de classificação dos hidrogéis quanto ao tipo de reticulação. Adaptado

    de (Hamidi et al., 2008).

  • 25

    A reticulação física é um processo reversível que ocorre por emaranhamento da cadeia

    polimérica, cristalização, ligação iônica ou de hidrogênio dentro da estrutura do polímero. É

    afetada pela temperatura do ambiente em que se encontram os hidrogéis e é geralmente

    formada pelo resfriamento do gel (Kelly, 2015). Os hidrogéis fisicamente reticulados são a

    classe de hidrogel mais proeminente usada nos processos de impressão 3D devido a boa

    capacidade de impressão (Malda et al., 2013).

    A reticulação química ocorre devido à ligação covalente entre as cadeias poliméricas. A

    reticulação covalente ocorre por meio de uma ligação direta ou pelo uso de um agente de

    reticulação. Esse processo é irreversível e cria hidrogéis que não podem ser reformulados

    depois de ligados. Os agentes de reticulação utilizados no processo de reticulação química são

    moléculas bifuncionais, isto é, possuem dois grupos reativos dentro da sua estrutura. Isto

    permite a ligação covalente com dois polímeros diferentes ou com um polímero e um agente

    de reticulação. Os agentes podem ser homobifuncionais, onde os grupos reativos são os

    mesmos, ou heterobifuncionais, onde os grupos reativos são diferentes, permitindo a

    reticulação com dois grupos funcionais diferentes (Kelly, 2015).

    Uma desvantagem significativa dos hidrogéis reticulados fisicamente são suas baixas

    propriedades mecânicas; por exemplo, na impressão 3D, podem aumentar os problemas de

    estabilidade de uma construção impressa e estar associados a dificuldades no manuseio e seu

    desempenho geral. Portanto, tem-se dado cada vez mais atenção aos hidrogéis que são unidos

    por interações físicas fracas (reversíveis) que permitem uma boa capacidade de impressão,

    mas que podem ainda ser estabilizadas por reticulação química após o processamento (Malda

    et al., 2013).

  • 26

    2.2.3 Nanocelulose

    A celulose é o material orgânico renovável mais abundante produzido na biosfera, com

    uma produção anual estimada em mais de 7,5x1010

    toneladas (Hess et al., 1995). É um

    policarboidrato composto de uma série de unidades de celobiose, cada uma das quais é

    formada por duas subunidades anidroglucose com rotação de 180◦ uma da outra (Figura 2.4).

    A celulose é amplamente distribuída em plantas altas, em vários animais marinhos (por

    exemplo, tunicados) e, em menor grau, em algas, fungos, bactérias, invertebrados e até em

    amebas (protozoários), por exemplo, Dictyostelium discoideum. Em geral, a celulose é uma

    substância fibrosa, resistente, insolúvel em água, que desempenha um papel essencial na

    manutenção da estrutura das paredes celulares das plantas. Foi descoberta e isolada pela

    primeira vez por Anselme Payen em 1838 (Payen, 1838) e desde então, vários aspectos físicos

    e químicos da celulose foram extensivamente estudados. De fato, descobertas estão sendo

    feitas constantemente com relação à sua biossíntese, montagem e características estruturais

    que inspiraram uma série de esforços de pesquisa entre um grande número de disciplinas.

    Várias revisões já foram publicadas relatando o estado do conhecimento deste fascinante

    polímero (Kim et al., 2006; Charreau et al., 2013; Dufresne, 2013).

    Figura 2.4: Estrutura química da celulose (Habibi et al., 2010).

    Os nanocristais de celulose (CNCs) são nanopartículas cristalinas obtidas de celulose,

    que são altamente relevantes para o desenvolvimento de novos materiais de base biológica

    com propriedades aprimoradas. Na década de 1950, Ranby relatou, pela primeira vez,

    imagens de microscopia eletrônica de cristais isolados de madeira através de hidrólise por

    ácido sulfúrico (Ranby, 1949 e Ranby, 1951). Os CNCs possuem potencial em aplicações

  • 27

    como reforço em nanocompósitos, dada sua densidade relativamente baixa (1,6 g/ml), alta

    resistência mecânica (10 GPa) (Azizi Samir et al., 2005) e alto módulo de elasticidade (143

    GPa) (Šturcová et al., 2005). Eles são relevantes para a preparação de dispositivos

    biomédicos, implantes e têxteis, uma vez que são biocompatíveis e com baixa toxicidade.

    Além disso, os CNCs estão amplamente disponíveis em todo o mundo e um potencial

    subproduto da futura indústria de biocombustíveis celulósicos (Azizi e Samir et al., 2005; de

    Souza Lima e Borsali, 2004).

    Com fórmula química (C6H10O5)x(C6H9O4SO4Na)y os CNCs são isolados usando ácidos

    inorgânicos, principalmente os ácidos clorídrico e sulfúrico. Quando o HCl é usado, os CNCs

    suspensos facilmente se aglomeram devido à ligação de hidrogênio entre os cristalitos que

    formam aglomerados da ordem de micrometros. Quando a hidrólise é realizada com H2SO4 os

    grupos sulfato carregados negativamente são introduzidos na superfície dos cristalitos, o que

    impede a aglomeração, produzindo uma suspensão estável de partículas cristalinas

    nanométricas (Figura 2.5).

    Figura 2.5: Representação esquemática do isolamento do CNC. Adaptado de (Benavides,

    2011).

  • 28

    As nanopartículas de celulose provenientes de madeira têm 3-20 nm de largura e 100-

    200 nm de comprimento, enquanto os de Valonia, uma planta marinha, são relatados como

    sendo 20 nm de largura e 1000-2000 nm de comprimento. Da mesma forma, do algodão se

    extrai CNCs de 5-10 nm de largura e 100-300 nm de comprimento, e tunicado, um animal do

    mar, se obtem medidas de 10-20 nm de largura e 500-2000 nm de comprimento (Angles e

    Dufresne, 2001). A razão de aspecto, que é definida como a razão entre o comprimento e a

    largura (C/L), abrange um amplo intervalo e pode variar entre 10 e 30 para algodão e 70 para

    o tunicado.

    A morfologia da seção transversal dos CNCs também depende da origem das fibras de

    celulose. A morfologia na seção transversal e também ao longo do eixo do cristal pode ser

    atribuída à ação dos complexos terminais durante a biossíntese da celulose, que depende da

    fonte do nanocristal. CNCs de origem bacteriana (Hanley et al., 1997) e tunicado (Elazzouzi-

    Hafraoui et al., 2007) foram relatados como tendo formatos semelhantes a fitas com torções

    com passos de meio helicoidal de 600-800 nm (Micrasterias denticulata) e 1,2-1,6 µm,

    respectivamente, (Figura 2.6).

    Figura 2.6: Forma morfológica dos CNCs de origem bacteriana e de tunicados (Moon et

    al., 2016).

    Uma importante aplicação do CNC é como modificador reológico. A reologia dos

    CNCs em vários meios de suspensão e misturas de polímeros tem sido amplamente estudada

    (Ching et al., 2016; de Souza Lima e Borsali, 2004). A diminuição na viscosidade com taxa

    de cisalhamento crescente, causada pela adição do CNC, é semelhante a outras nanopartículas

    inorgânicas com altas razões de aspecto (Chen et al., 2009) A redução da viscosidade a

  • 29

    maiores taxas de cisalhamento para as suspensões de CNC é o resultado do alinhamento das

    fibras de CNC na direção do cisalhamento, reduzindo assim grandemente os seus volumes de

    interação. Diversas variáveis têm mostrado influenciar no comportamento pseudoplástico:

    interação do solvente e CNC, sistema polimérico, temperatura e morfologia do CNC,

    distribuição de tamanho, carga superficial, química e concentração.

    2.2.4 Alginato

    O alginato é um polissacarídeo natural derivado de algas marrons (Augst et al., 2006).

    A cadeia do copolímero linear é composta por blocos consecutivos de (1–4) α-guluronato

    ligado (blocos G) e β-D-manuronato (blocos M) seguidos por segmentos de blocos MG

    alternados (Coma, 2013). A Figura 2.7 mostra a composição dos blocos G e M.

    Figura 2.7: Estrutura polimérica do alginato (Coma, 2013).

    Os hidrogéis de alginato possuem propriedades de materiais específicos de acordo com

    a fonte ou tipo de alga de que é derivado. Isso pode ser atribuído à razão entre os blocos G e

    M presentes na cadeia principal molécula polimérica, que varia de fonte para fonte. Por

    exemplo, fontes com alto índice ou alto conteúdo de bloco G, como Laminaria hyperborea,

    são conhecidas como fontes de alta viscosidade e formam hidrogéis fortes. Fontes de média

    viscosidade, como Macrocystis pyrifera, formam hidrogéis de média resistência devido à

  • 30

    proporção média de blocos G:M, enquanto fontes de baixa viscosidade como Ascophyllum

    rodosum formam os hidrogéis mais fracos devido ao alto conteúdo de blocos M dentro da

    estrutura do polímero (Mchugh, 1987).

    Quanto ao mecanismo de reticulação do alginato, onde o alginato passa por uma

    transição sol-gel, é de natureza iônica. Os blocos G da cadeia polimérica de alginato sofrem

    uma formação do que é descrita como uma estrutura de “caixa de ovos” na presença de

    cátions divalentes (Ca2+

    , Ba2+

    e Sr2+

    ) (Grant et al., 1973). Os cátions divalentes formam

    ligações intermoleculares com dois grupos carboxilato desprotonados e dois grupos hidroxila

    dos blocos G de alginato, mostrados na Figura 2.8. A reticulação lateral dessas caixas de ovos

    resulta na formação de hidrogel.

    Figura 2.8: Estrutura de reticulação iônica dos blocos G de alginato com íons de cálcio

    (Marriott et al., 2014).

    Como mencionado anteriormente, a proporção de blocos G para M na estrutura de

    alginato desempenha um papel crucial nas propriedades dos materiais do hidrogel resultante,

    uma vez que os blocos G têm uma grande afinidade por cátions divalentes enquanto os blocos

    M formam interações fracas com cátions divalentes e não participam de reticulação (Lee e

    Mooney, 2012). Assim, quanto maior a quantidade de blocos G presentes na estrutura, maior

    o número de ligações cruzadas é formada, e mais resistente será o hidrogel resultante. O

  • 31

    cálcio é o cátion bivalente mais comumente usado para induzir a reticulação de alginato, já

    que os blocos G têm uma alta afinidade para formar fortes ligações com esse íon e é o mais

    biocompatível (Fang et al., 2007). Os cátions divalentes adicionais usados incluem magnésio,

    bário e estrôncio, formando as ligações mais fracas as mais fortes, respectivamente (Sun e

    Tan, 2013).

    A taxa na qual esta reticulação ocorre pode ser adaptada através da variação das

    concentrações dos constituintes e/ou da adição de agentes de retardamento (Lee e Mooney,

    2012). Foi demonstrado que um aumento na concentração de cálcio resulta em um aumento

    na taxa de reticulação, com o aumento dos íons de cálcio disponíveis, as ligações cruzadas

    com blocos G do alginato se formam rapidamente. A adição de um retardamento, como

    Na2HPO4, pode interromper o processo de reticulação, diminuindo assim a taxa em que

    ocorre. A fonte de cálcio também desempenha um papel na taxa de reticulação, com fontes

    altamente solúveis, como CaCl2 liberando íons rapidamente para o meio, favorecem a

    reticulação imediata. Fontes intermediárias, como o CaSO4, fornecem íons ao longo do tempo

    para reticulação gradual e fontes com baixa solubilidade, como CaCO3, fornecem íons durante

    um longo período de tempo, resultando em uma reticulação lenta, também chamada de

    reticulação interna (Cho et al., 2009). A Tabela 2.2 mostra as diferentes fontes dos íons

    cálcio, sua solubilidade e velocidade de reticulação.

    Tabela 2.2: Fontes dos íons cálcio, solubilidade e velocidade de reticulação.

    Fonte de Cálcio Solubilidade Reticulação

    CaCl2 Alta Imediata

    CaSO4 Média Lenta

    CaCO3 Baixa Muito lenta

    Quando se trata da impressão baseada em extrusão o alginato é um forte candidato para

    impressão devido às suas propriedades inatas do material. Um exemplo é um scaffold de

    alginato impresso para encapsular as células endoteliais é descrito por (Khalil e Sun, 2009).

    As propriedades reológicas do alginato permitem um comportamento pseudoplástico, ou seja,

    uma redução na viscosidade sob maior cisalhamento (Wang et al., 1994). Esta caraterística é

  • 32

    favorável para impressão por extrusão, pois um material menos viscoso requer menos tensão e

    pressão para ser extrudado através de um bocal. Assim, as células encapsuladas dentro do

    alginato são submetidas a menores tensões.

    2.3 Aplicações na Engenharia Tecidual

    A substituição de partes do corpo vem sendo estudada por muitos anos, tendo início

    quando dentes perdidos foram substituídos por dentes artificiais gravados dos ossos de bois

    (Ring, 1995). Os substitutos artificiais, na maioria das vezes, não são tão úteis e duradouros

    quanto os tecidos originais, e o transplante de órgãos reais é severamente limitado pela

    escassez de doadores e por ser um procedimento muito invasivo (Thorne, 1998). Mesmo

    quando tais órgãos estão disponíveis, a transmissão de doenças e a rejeição do receptor são os

    fatores limitantes (Mcdevitt, 2006). A engenharia tecidual emergiu do uso de biomateriais

    que substituem pequenas áreas de tecidos danificados por matrizes tridimensionais que podem

    atuar como transportadores de células, bem como provedores de sinais para regeneração.

    A engenharia tecidual é um importante tópico emergente na engenharia biomédica, e

    mostra-se como uma promessa para o desenvolvimento de novas alternativas para a

    regeneração de tecidos, novos implantes e próteses (Vacanti e Langer, 1999). Um dos

    principais métodos por trás da engenharia tecidual envolve o crescimento in vitro de células.

    Mas as células não têm a capacidade de crescer em orientações 3D favorecidas e, assim,

    definir a forma anatômica do tecido. Em vez disso, eles migram aleatoriamente para formar

    uma camada bidimensional (2D) de células. No entanto, os tecidos 3D são necessários e isto é

    conseguido semeando as células em matrizes porosas, conhecidas como scaffolds, às quais as

    células se ligam e colonizam (Langer e Vacanti, 1993). O scaffold, portanto, é um

    componente muito importante para a engenharia tecidual. Na Figura 2.9 é apresentada a

    abordagem da engenharia tecidual mediante o cultivo de células em scaffolds tridimensionais.

  • 33

    Figura 2.9: Abordagem da engenharia tecidual mediante a utilização de scaffolds. (Dávila

    Sánchez, 2014).

    A construção de tecidos para uso médico já é usada de forma significativa nos hospitais.

    Estas aplicações inovadoras envolvem pele artificial (Cooper et al., 1991), fígado (Cima et

    al., 1991a,b), pâncreas, intestinos, nervos (Evans et al., 1999), cartilagem (Ashiku et al.,

    1997), ligamento ósseo (Kim et al., 1995) e tendão (Caoa et al., 1995). A primeira aplicação

    comercial é um produto de pele bioartificial para tratamento de queimados que foi introduzido

    em 1990 (Miller e Peshwa, 1996). Outras aplicações que chegaram ao mercado incluem

    reparo de cartilagem, isolamento de células progenitoras hematopoiéticas e terapia

    imunomoduladora para câncer (Miller e Peshwa, 1996).

    Vários requisitos foram identificados como cruciais para a produção de scaffolds para

    engenharia tecidual (Hutmacher, 2001): (1) o scaffold deve possuir poros interconectados de

    escala apropriada para favorecer a integração e vascularização do tecido, (2) ser feito de

    material com biodegradabilidade controlada ou bioreabsorvilidade de modo que o tecido

    eventualmente substitua o scaffold, (3) tenha propriedades químicas superficiais apropriadas

    para favorecer a fixação, diferenciação e proliferação celular, (4) possuir propriedades

    mecânicas adequadas para combinar com o local de implantação e manuseio pretendido, (5)

    não induzir nenhuma resposta adversa e, (6) ser facilmente fabricado em uma variedade de

    formas e tamanhos. Tendo em mente estes requisitos, a regeneração tecidual se resume em:

  • 34

    células, biomateriais (scaffolds) e mecanismos de sinalização. Na Figura 2.10 são mostrados

    os elementos chave da engenharia tecidual.

    Figura 2.10: Elementos chave da engenharia tecidual (Khang et al., 2007).

    2.3.1 Scaffolds para Engenhara Tecidual

    Para obter um bom desempenho na regeneração tecidual, os scaffolds necessitam de

    algumas características básicas como biocompatibilidade, biodegradabilidade, bioatividade,

    bioreabsorção, compatibilidade mecânica, poros interconectados e natureza não tóxica dos

    produtos de degradação efetuada pelo organismo. Na Figura 2.11 são mostrados os requisitos

    dos scaffolds para engenharia tecidual.

  • 35

    Figura 2.11: Principais requisitos dos scaffolds (Dávila Sánchez, 2014).

    O primeiro critério de qualquer scaffold para engenharia tecidual é que ele deve ser

    biocompatível; as células devem aderir, funcionar normalmente e migrar para a superfície e,

    eventualmente, através do scaffold e começar a proliferar antes de depositar nova matriz.

    Após a implantação, o scaffold ou construção de engenharia tecidual deve desencadear uma

    reação imune desprezível, a fim de evitar que ele cause uma resposta inflamatória tão grave

    que pode reduzir a cicatrização ou causar a rejeição pelo organismo.

    O objetivo da engenharia tecidual é permitir que as próprias células do corpo, com o

    tempo, acabem substituindo o scaffold implantado. Scaffolds e construções, não se destinam

    como implantes permanentes. O scaffold deve, portanto, ser biodegradável, de modo a

    permitir que as células produzam sua própria matriz extracelular (Babensee et al., 1998). Os

    subprodutos dessa degradação também devem ser não tóxicos e capazes de sair do corpo sem

    interferência com outros órgãos. De modo a permitir que a degradação ocorra em conjunto

    com a formação de tecido, é necessária uma resposta inflamatória combinada com infusão

    controlada de células, tais como macrófagos. Agora que as estratégias da engenharia tecidual

    estão entrando na prática clínica mais rotineiramente, o campo da imunologia desempenha um

    papel de crescente destaque na área de pesquisa (Brown et al., 2009 e Lyons et al., 2010).

  • 36

    A arquitetura dos scaffolds usados para engenharia tecidual é de importância crítica. Os

    scaffolds devem ter uma estrutura de poros interconectados e alta porosidade para garantir a

    penetração celular e a difusão adequada de nutrientes para as células dentro da construção e

    para a matriz extracelular formada por essas células e também a difusão de produtos residuais

    para fora do scaffold. A questão da degradação do núcleo, decorrente da falta de

    vascularização e remoção de resíduos do centro de construções de engenharia tecidual, é uma

    grande preocupação (Phelps e Garcia, 2009; Ko et al., 2007).

    Quanto às propriedades mecânicas, idealmente, o scaffold deve ser consistentes com o

    local anatômico no qual ele deve ser implantado e, de uma perspectiva prática, deve ser

    resistente o suficiente para permitir o manuseio cirúrgico durante a implantação. Embora isso

    seja importante em todos os tecidos, ele oferece alguns desafios para aplicações

    cardiovasculares e ortopédicas, especificamente. Produzir scaffold com propriedades

    mecânicas adequadas é um dos grandes desafios na tentativa de projetar osso ou cartilagem.

    Para esses tecidos, o scaffold implantado deve ter integridade mecânica suficiente para atuar

    desde o momento da implantação até a conclusão do processo de remodelação (Hutmacher,

    2006). Outro desafio é que as taxas de cura variam com a idade; por exemplo, em indivíduos

    jovens, as fraturas normalmente curam até o ponto de suportar em cerca de seis semanas, com

    integridade mecânica completa não retornando até aproximadamente um ano após a fratura,

    mas nos idosos a taxa de reparo diminui. Isso também deve ser levado em conta ao projetar

    scaffold para aplicações ortopédicas.

    Para que um determinado scaffold ou construção de engenharia de tecidos se torne

    clinicamente e comercialmente viável, deve ser rentável e deve ser possível aumentar a escala

    de fabricar um de cada vez em um laboratório de pesquisa para produção de pequenos lotes

    (Lee e Niederer, 2010). Além disso, é necessário levar em consideração todos os requisitos

    citados anteriormente. Requisitos biológicos e de engenharia devem estar equilibrados para

    que a atividade celular seja promovida e assim ocorra a regeneração tecidual. O critério final

    para os scaffolds na engenharia tecidual é aquele em que todos os critérios listados acima são

    dependentes: a escolha do biomaterial a partir do qual o scaffold deve ser fabricado.

  • 37

    2.3.2 Biomateriais para fabricação de scaffolds

    Tipicamente, três grupos individuais de biomateriais, cerâmicas, polímeros sintéticos e

    polímeros naturais, são usados na fabricação de scaffolds para engenharia tecidual. Cada um

    desses grupos de biomateriais individuais tem vantagens específicas e, desnecessário dizer,

    desvantagens, de modo que o uso de scaffolds compósitos compostos por diferentes fases está

    se tornando cada vez mais comum. Embora não seja geralmente usado para a regeneração de

    tecidos moles, tem havido um uso generalizado de estruturas cerâmicas, tais como

    hidroxiapatita (HA) e fosfato tricálcio (TCP), para aplicações de regeneração óssea. Os

    scaffolds cerâmicos são tipicamente caracterizados por alta rigidez mecânica (módulo de

    Young), elasticidade muito baixa e uma superfície dura e quebradiça.

    A terceira abordagem comumente usada é o uso de materiais biológicos como

    biomateriais de scaffolds. Materiais biológicos como colágeno, vários proteoglicanos,

    substratos à base de alginato e quitosana têm sido usados na produção de suportes para

    engenharia tecidual. Ao contrário dos scaffolds baseados em polímeros sintéticos, os

    polímeros naturais são biologicamente ativos e tipicamente promovem excelente adesão e

    crescimento celular. Além disso, eles também são biodegradáveis e permitem que as células

    hospedeiras, ao longo do tempo, produzam sua própria matriz extracelular e substituam a

    estrutura degradada. No entanto, a fabricação de scaffolds a partir de materiais biológicos com

    estruturas homogêneas e reprodutíveis apresenta um desafio. Além disso, os scaffolds

    geralmente têm propriedades mecânicas que não atendem certas aplicações, o que limita seu

    uso em, por exemplo, aplicações ortopédicas de suporte de carga.

    2.4 Sistemas de impressão 3D à base de hidrogéis

    A impressão tridimensional (3D) é uma técnica de manufatura aditiva que implementa a

    produção de estruturas camada por camada (Wong e Hernandez, 2012). Primeiro, um modelo

  • 38

    CAD 3D é criado com a estrutura desejada, salvo como um arquivo .stl e dividido em código

    G, ou na linguagem de computador que o software de impressão 3D lê. O arquivo de código

    G determina o caminho no qual a extrusora deve seguir para depositar o material de uma

    maneira que resulte na estrutura desejada (Sears et al., 2016). A vantagem dessa técnica é que

    ela reduz o tempo de produção e permite a fabricação de projetos complexos ou pequenos

    lotes de produtos específicos de maneira econômica quando comparada com outras técnicas

    de produção (Yan e Gu, 1996).

    Resumidamente, os sistemas de impressão 3D à base de hidrogéis podem ser divididos

    em métodos baseados em transferência direta induzida por laser, impressão à jato de tinta

    (tanto térmica quanto piezoelétrica) e impressão por extrusão (Figura 2.12). Cada técnica

    exige requisitos muito específicos para as características dos materiais de impressão baseadas

    em hidrogel, no que diz respeito à sua reologia e taxa de pós-cura, a fim de alcançar a

    fabricação confiável de construções 3D (Malda et al., 2013).

    Figura 2.12: Abordagens de impressão 3D envolvendo o uso de hidrogéis. Traduzido de

    (Malda et al., 2013).

    2.4.1 Transferência direta induzida por lazer

    A tecnologia de transferência direta induzida por laser refere-se ao uso de uma lâmina

    de doador coberta com uma camada de absorção de energia de laser e uma camada de

  • 39

    hidrogel. Os pulsos de laser focalizados causam a evaporação local da camada absorvente

    que, por sua vez, gera uma alta pressão de gás, impulsionando o composto de hidrogel em

    direção à lâmina coletora (Figura 2.4). Esta tecnologia permite a deposição precisa de

    materiais de alta densidade (Hribar et al., 2014). Uma vantagem dessa técnica, é que não

    necessita o uso de agulha, portanto, não é afetada por problemas de entupimento. Foi usado

    com sucesso hidrogéis com uma ampla gama de viscosidades (1–300 mPa.s-1

    ). No entanto, a

    alta resolução desse processo complica a distribuição uniforme das camadas de gotas ejetadas,

    requerendo assim, uma rápida cinética de reticulação para alcançar alta fidelidade à forma da

    construção, resultando assim em uma vazão relativamente baixa (Malda et al., 2013).

    O hidrogel mais utilizado na técnica de transferência direta induzida por laser é o

    alginato, a Tabela 2.3 demonstra algumas características desse hidrogel quando utilizada essa

    técnica.

    Tabela 2.3: Características do hidrogel de alginato quando utilizada a técnica de transferência

    direta induzida por laser. Modificado de (Malda et al., 2013).

    Hidrogel Concentração

    do Polímero

    Método de

    Reticulação

    Qualidade de

    Impressão

    Citocompatibilidade Referência

    Alginato

    2%

    Iônica

    Intermediária Intermediária, dia 10 (Koch, et al., 2012)

    2%

    Reforçada com solução

    de fibras eletrofiadas

    Alta, dia 7

    (Catros et al., 2011)

    1% Alta Alta, dia 1 (Guillotin et al., 2010)

    2% / 8% Baixa / Intermediária Não estudada (Yan et al., 2012)

    2.4.2 Impressão de jato de tinta

    Normalmente, a impressão a jato de tinta no campo da impressão 3D é definida como a

    distribuição por um pequeno orifício e o posicionamento preciso de volumes muito pequenos

    (1-100 picolitros) de hidrogel em um substrato (Calvert, 2007). Para a impressão a jato de

  • 40

    tinta à base de hidrogéis, térmica e piezoelétrica são as duas abordagens mais adotadas. Para

    impressão térmica a jato de tinta, pequenos volumes do fluido de impressão são vaporizados

    por um microaquecedor para gerar o pulso que expele as gotas do cabeçote de impressão

    (Derby, 2008). Já na impressão a jato de tinta piezoelétrico, não é usado aquecimento, mas um

    pulso mecânico direto é aplicado ao fluido na agulha por um atuador piezelétrico, que causa

    uma onda de choque que força o escoamento do hidrogel através da agulha (Malda et al.,

    2013).

    A impressão a jato de tinta foi aplicada com sucesso na impressão de hidrogéis

    permitindo a geração de estruturas tridimensionais bem definidas, embora pequenas (Arai et

    al., 2011). Uma das principais restrições da tecnologia de jato de tinta é talvez o baixo limite

    superior da viscosidade do hidrogel (Tabela 2.4), que é da ordem de 0,1 Pa.s (Calvert, 2001),

    complicando a deposição demateriais com viscosidades mais altas. Como pequenas gotículas

    desse hidrogel são depositadas em um substrato com alta velocidade, a baixa viscosidade

    facilitará o espalhamento da gotícula na superfície após a impressão. Além disso, a maioria

    dos pesquisadores nesta área tem usado impressoras a jato de tintas comercialmente

    disponíveis, que são projetadas para dispensar hidrogéis de baixa viscosidade, não contendo

    partículas medindo mais de 1 µm, com uma alta resolução. Em resumo, como consequência

    do pequeno tamanho das gotículas e da reticulação dependente da difusão das impressoras a

    jato de tinta, resulta num desafio traduzir esta tecnologia para tamanhos maiores (Malda et al.,

    2013).

    Alguns hidrogéis e suas características são mostradas na Tabela 2.4, quando utilizada a

    técnica de impressão pro jato de tinta.

    Tabela 2.4: Características de diferentes hidrogéis quando utilizada a técnica de impressão por

    jato de tinta. Modificado de (Malda et al., 2013).

    Hidrogel Concentração

    do Polímero

    Método de

    Reticulação

    Qualidade de

    Impressão

    Citocompatibilidade Referência

    Alginato 2%

    0,8%

    Iônica

    Intermediária

    Não reportada

    Alta, dia 0

    (Boland et al., 2006)

    (Arai et al., 2011)

    Alginato/ 0,3%/1% 90%, dia 7 (Xu et al., 2013)

  • 41

    Colágeno I

    Colágeno I 0,1% Térmica Baixa Células migratórias (Jakab et al., 2008)

    Fibrogênio/

    Colágeno I

    0,15%/1%

    Enzimática

    Reforçada com solução

    de fibras eletrofiadas

    82%, dia 7

    (Xu et al., 2012)

    Poli

    (etilenoglicol)

    Dimetacrilado

    10%/20%

    Radiação UV

    Intermediária

    89%, dia 1

    (Cui et al., 2012)

    2.4.3 Impressão por extrusão

    Uma abordagem alternativa para o projeto e fabricação de construções de hidrogel por

    impressão 3D é baseada em sistemas extrusão. Para este método, os hidrogéis são geralmente

    inseridos em seringas plásticas descartáveis e dispensados, pneumaticamente, com pistão ou

    parafusos, em uma plataforma de construção. Em vez de gotículas individuais, a impressão

    por extrusão produz um filamento de hidrogel. Para manter a forma das construções após a

    impressão, hidrogéis com viscosidades mais altas são frequentemente usados. A resolução que

    pode ser obtida com a extrusão é da ordem de 200 µm, o que é consideravelmente maior em

    comparação com os sistemas baseados em jato de tinta ou laser. No entanto, a velocidade de

    fabricação usando a impressão por extrusão é significativamente maior (Tabela 2.5).

    A Tabela 2.5 demonstra a comparação das principais características das três abordagens

    de impressão 3D à base de hidrogéis.

    Tabela 2.5: Principais características das três abordagens de impressão 3D à base de

    hidrogéis. Traduzido de (Malda et al., 2013).

    Transferência direta por

    indução a laser

    Impressão de jato de

    tinta

    Impressão por extrusão

    Resolução ++ + +/-

    Velocidade de

    fabricação

    - +/- ++

    Viscosidade do hidrogel +/- - +

  • 42

    Velocidade de

    reticulação

    ++ ++ +/-

    ++: Muito boa

    +: Boa

    +/-: Intermediária

    -: Baixa

    A deposição controlada por pistões geralmente fornece um controle mais direto sobre o

    escoamento do hidrogel a partir da agulha, devido ao atraso do volume de gás comprimido

    nos sistemas pneumáticos. Sistemas à base de parafusos podem conferir maior controle

    espacial e são benéficos para a dispensação de hidrogéis com maiores viscosidades. (Campos

    et al., 2012 e Maher et al., 2009).

    Alguns hidrogéis e suas características são mostrados na Tabela 2.6, quando utilizada a

    técnica de impressão por extrusão.

    Tabela 2.6: Características de diferentes hidrogéis quando utilizada a técnica de impressão por

    extrusão. Modificado de (Malda et al., 2013).

    Hidrogel Concentração

    do Polímero

    Método de

    Reticulação

    Qualidade de

    Impressão

    Citocompatibilidade Referência

    Agarose 1,5%

    5%

    Térmica Alta

    Baixa

    95%, dia 21

    95%, dia 7

    (Campos et al., 2012)

    (Fedorovich, et al., 2008)

    Alginato 2%/10% Iônica Intermediária 89%, dia 2 (Fedorovich, et al., 2011)

    (Fedorovich, et al., 2008)

    Alginato/

    Fibrina

    6,3%

    Iônica

    Enzimática

    Térmica

    Baixa

    Não estudada

    (Landers et al., 2002)

    Alginato/

    Gelatina

    5%/7,5% Iônica

    Química

    Intermediária 95%, dia 0 (Yan et al., 2005)

    Colágeno I

    0,3%

    Térmica

    Intermediária

    86%, dia 1

    (Smith et al., 2004)

    (Smith et al., 2007)

    (Jakab et al., 2008)

    Gelatina 0,1%/7%/20% Térmica

    Química

    Intermediária

    Alta

    95%, mês 1 (Lee et al., 2010)

    (Wang et al., 2006)

  • 43

    Gelatina

    Metacrilada

    20% Térmica

    Foto

    Baixa 73% (Schuurman et al., 2013)

    Ácido

    hialurônico

    0,3%/1,2% Foto Baixa Proliferação, dia 7 (Skardal et al., 2010)

    Metilcelulose 4% Térmica Baixa Não reportadada (Fedorovich, et al., 2008)

    2.5 Propriedades dos hidrogéis para impressão 3D

    A adequação de um hidrogel para um processo específico de impressão 3D depende

    principalmente de suas propriedades físico-químicas sob as condições dadas pelo instrumento

    de impressão específico. O desenvolvimento de sistemas de hidrogéis que atendem todos os

    requisitos para a impressão 3D, isto é, hidrogéis que são adequados para fabricar estruturas

    tridimensionais, da mais simples até as mais complexas, continua a ser um desafio. Os

    principais parâmetros físico-químicos que determinam a capacidade de impressão de um

    hidrogel são as suas propriedades reológicas como, viscosidade, pseudoplasticidade, os

    módulos de armazenamento (G') e de perda (G") e mecanismos de reticulação. No entanto, os

    parâmetros de processamento específicos, tais como as dimensões da agulha (tamanho,

    diâmetro), irão consequentemente determinar a tensão de cisalhamento a que os hidrogéis são

    expostos, assim como o tempo máximo necessário para a fabricação de uma construção de

    dimensão relevante. Finalmente, uma vez que os hidrogéis tenham sido impressos, a

    construção impressa tem de possuir, desenvolver ou ser dotada de fidelidade à forma e

    estabilidade mecânica suficiente, por exemplo por reticulação (pós-processamento) como

    resultado da reticulação.

    Estes parâmetros estão interligados e são importantes para as diferentes tecnologias de

    impressão 3D, no entanto, os números absolutos podem ser consideravelmente diferentes

    dadas à natureza do processo de deposição. Por exemplo, a impressão a jato de tinta é

    geralmente limitada a viscosidades máximas baixas, enquanto que com a impressão por

    extrusão maiores viscosidades podem ser processadas. Por conseguinte, a impressão a jato de

    tinta requer reticulação rápida para permitir a fabricação de uma estrutura 3D mecanicamente

  • 44

    estável. A impressão 3D baseada em extrusão, no entanto, facilitará a manutenção da forma

    inicial após a deposição de líquidos altamente viscosos permitindo a reticulação das estruturas

    geradas pós-fabricação, bem como a construção de grandes construções nas direções x, y, z.

    Isso ilustra como a viscosidade da solução de formação de hidrogel determina com que

    rapidez ela precisa se solidificar. Além disso, as características de inchamento ou contração

    dos hidrogéis também devem ser levadas em consideração ao projetar uma construção 3D

    específica. Além disso, deve-se ter cuidado ao aplicar hidrogéis com diferentes

    comportamentos de intumescimento, pois isso pode ser complicado devido ao enxerto

    limitado das camadas e à deformação do construto final (Malda et al., 2013).

    2.5.1 Reologia

    Líquidos geralmente podem ser divididos em duas categorias: newtoniano e não

    newtoniano. Para fluidos newtonianos, a viscosidade é independente da taxa de cisalhamento,

    enquanto, para líquidos não-Newtonianos, a viscosidade exibe um comportamento dependente

    da taxa de cisalhamento (Figura 2.13).

  • 45

    Figura 2.13: Viscosidade pela taxa de cisalhamento para fluidos Newtonianos e diferentes

    não-Newtonianos. Traduzido de (Jungst et al., 2015).

    Esta dependência pode ser usada para separar líquidos não newtonianos principalmente

    nos seguintes tipos: pseudoplásticos e dilatantes. Como mostrado na Figura 2.13, os materiais

    pseudoplástcos mostram uma diminuição da viscosidade com taxas crescentes de

    cisalhamento. A grande maioria das soluções poliméricas apresenta esse comportamento. Os

    líquidos poliméricos descrevem um platô Newtoniano a baixas taxas cisalhamento, definindo

    a viscosidade de cisalhamento zero (ou primeiro platô newtoniano). Embora não exibido na

    Figura 2.13, os líquidos poliméricos não newtonianos geralmente desenvolvem um segundo

    platô denominado viscosidade de alto cisalhamento ou segundo platô newtoniano (Barnes et

    al., 1989). Como na maioria dos casos, este platô é apenas ligeiramente superior à viscosidade

    do solvente, o segundo platô Newtoniano não é relevante para processos de impressão.

  • 46

    2.5.2 Viscosidade

    Viscosidade é a resistência de um fluido escoar devido à aplicação de uma força. Na

    impressão por extrusão, uma alta viscosidade impede a formação de gotículas devido à tensão

    superficial e uma baixa viscosidade leva à baixa estabilidade das estruturas depositadas. Para

    o caso do escoamento cisalhante simples em estado estacionário, em que o tensor de tensão é

    constante no tempo e o 𝜏21 é medido, podemos escrever a viscosidade como:

    ƞ(�̇�) = 𝜏21

    �̇�0 (2.1)

    onde 𝜏21 é a tensão de cisalhamento, �̇�0 é a taxa de cisalhamento e ƞ é a viscosidade.

    Uma curva de viscosidade, (Figura 2.14), descreve a mudança na viscosidade devido ao

    aumento da tensão de cisalhamento e é, portanto, usada para ilustrar o comportamento do

    escoamento ao distribuir o material através de um cabeçote de impressão. Um material típico

    de impressão tem um comportamento pseudoplástico, ou seja, sua viscosidade descresce com

    o aumento da taxa de cisalhamento. Após a saída do cabeçote de impressão, as forças de

    cisalhamento são retiradas, de modo que a viscosidade aumenta e a construção impressa não

    flui.

    Figura 2.14: Curvas de viscosidade descrevendo o comportamento reológico geral de uma

    dispersão de 3% de nanocelulose e 3% de solução de alginato. (Gatenholm et al., 2016).

  • 47

    A viscosidade do hidrogel influencia diretamente a fidelidade da forma após a

    deposição (Figura 2.15). Por exemplo, no trabalho de Schuurman et al., (2013), foi obsevado

    que em uma solução de gelatina metacrilada (gelMA) de baixa viscosidade forma gotículas na

    ponta da agulha, resultando na deposição de fios que se espalham na superfície, enquanto o

    aumento na viscosidade após a adição de ácido hialurônico de alto peso molecular (HA),

    permite a formação de um filamento em vez de uma gota.

    Figura 2.15: Ilustração do papel da viscosidade na Impressão 3D. A gelatina metacrilada

    (gelMA), forma gotículas na ponta da agulha (A), resultando na deposição de fios que se

    espalham na superfície (C). Quando ácido hialurônico (HA) são adicionados, os filamentos

    podem ser depositados a partir da ponta da agulha (B), resultando em uma construção de

    quatro camadas (D). As barras de escala em A-C representam 5 mm; a barra de escala em D é

    de 2 mm. (Schuurman et al., 2013).

  • 48

    A fidelidade de impressão, portanto, geralmente aumenta com o aumento da

    viscosidade, e esta é a principal razão pela qual os hidrogéis são geralmente impressos com

    menores precisões e resoluções do que os polímeros termoplásticos. No entanto, um aumento

    na viscosidade implica um aumento da tensão de cisalhamento aplicada, que pode ser

    prejudicial para as células suspensas quando se pensa no campo da bioimpressão (Aguado et

    al., 2011). Além da viscosidade, a geometria da configuração de dispensação (dimensões dos

    canais, bicos e/ou orifícios) e vazões são fatores adicionais que influenciam a tensão de

    cisalhamento. Em outras palavras, as tensões de cisalhamento podem ser reduzidas ao custo

    da perda de resolução (bocais/orifícios maiores) ou ao custo da vazão.

    2.5.3 Pseudoplasticidade

    A pseudoplaticidade refere-se ao comportamento não-newtoniano no qual a viscosidade

    diminui à medida que a taxa de cisalhamento aumenta (Guvendiren et al., 2012). É causada

    pela reorganização induzida por cisalhamento das cadeias poliméricas a uma conformação

    mais esticada, o que leva a um emaranhamento diminuído e, portanto, a viscosidade diminui.

    Este fenômeno é, em grau variável, exibido pela maioria dos sistemas poliméricos.

    Particularmente, o comportamento pseudoplástico é observado em soluções de polímeros com

    alto peso molecular. O alginato de sódio é um exemplo de polímero que mostra um forte

    comportamento pseudoplástico, como mostrado na Figura 2.14 (Gatenholm et al., 2016).

    Nas taxas de cisalhamento adequadas para impressão 3D de hidrogéis (100–500 s-1

    )

    (Malda et al., 2013), a viscosidade é aproximadamente uma ordem de grandeza inferior ao

    valor do patamar em baixas taxas de cisalhamento. Para maiores concentrações, a redução

    relativa da viscosidade induzida pelo cisalhamento é ainda maior. Isto implica uma tensão de

    cisalhamento diminuída nas altas taxas de cisalhamento que estão presentes dentro da agulha

    durante a impressão, seguido por um aumento acentuado na viscosidade, resultando em uma

    alta fidelidade de impressão após a deposição (Figura 2.16).

  • 49

    Figura 2.16: Representação esquemática da origem da pseudoplasticidade e tensão de

    escoamento na impressão de gelatina metacrilada (gelMA)/goma de gelano. Na seringa, as

    cadeias de gelano (em branco) formam uma rede temporária e induzem uma viscosidade

    semelhante a gel (gel-like viscosity) (i). Ao dispensar através de uma agulha, a rede

    temporária é quebrada por cisalhamento e todas as cadeias poliméricas se alinham, reduzindo

    a viscosidade por ordens de magnitude (ii). Imediatamente após a remoção da tensão de

    cisalhamento, a rede temporária é restaurada e o filamento plotado solidifica instantaneamente

    (iii). (Schuurman et al., 2013).

    Existem diferentes modelos reológicos propostos para representar o comportamento do

    fluxo de polímero macio ou fundido e estes estão prontamente disponíveis em vários livros e

    artigos de revisão (Shenoy, 2013). As equações constitutivas, que relacionam tensão de

    cisalhamento ou viscosidade aparente com taxa d