Design de estruturas fibrosas implantáveis para tratamento de lesões da medula espinhal

Abstract

Nos últimos 10 anos, as lesões na coluna vertebral e medula têm se tornado cada vez mais frequentes; estima-se que entre 250.000 e 500.000 pessoas sejam afetadas anualmente por Lesão na Medula Espinhal (LME) (World Health Organization, 2013). A lesão medular pode ocorrer em virtude de acidentes ou do envelhecimento e resulta em fratura, luxação ou ferimento que afeta o referido tecido. Dentre as estratégias para o tratamento, a pesquisa está centrada no desenvolvimento de suportes tridimensionais (scaffolds). Os scaffolds podem ser implantados no local da lesão para substituir a estrutura lesionada e promover o crescimento e regeneração das células envolventes. Para tal, os implantes fibrosos apresentam várias vantagens, tais como: tridimensionalidade (3D), porosidade, elasticidade, resistência mecânica, biocompatibilidade, promovem o crescimento e regeneração das células nervosas, permitindo a libertação controlada de compostos bioativos. Sendo assim, o objetivo principal desta dissertação centrou-se no design e desenvolvimento de estruturas fibrosas implantáveis com possível aplicação no tratamento de lesões medulares. Além disso, pretende-se que essas estruturas apresentem características morfológicas específicas que beneficiem a regeneração celular no local da sua implantação. Para tal, o processo de desenvolvimento do design das estruturas foi realizado utilizando a modelação paramétrica em Rhinoceros 3D®, incluindo o plugin editor Grasshopper. Após a modelação das estruturas, estas foram produzidas pelo método de entrançamento utilizando diferentes números de fios e diferentes parâmetros de processamento. As estruturas T1/A8B30/E16B50 e T2/A8B40/E16B50 são distintas em termos de construção estrutural. Na camada interna, T1/A8B30/E16B50 é composta por 8 fios entrançados, cada um com um diâmetro de 0,30 mm, enquanto T2/A8B40/E16B50 possui 8 fios de 0,40 mm de diâmetro. Ambas as camadas externas são formadas por 16 fios de 0,50 mm de diâmetro. Adicionalmente, ambas as estruturas exibem uma boa porosidade. Em T1/A8B30/E16B50, a porosidade é de 48,5% na camada interna e 49,0% na camada externa. Já em T2/A8B40/E16B50, a porosidade é de 34,5% na camada interna e 50,7% na camada externa. Quanto à resistência à tração, T1/A8B30/E16B50 atingiu 1504 N, enquanto T2/A8B40/E16B50 atingiu 1674 N. Já na compressão, T1/A8B30/E16B50 demonstra uma força de 66,6 N, enquanto T2/A8B40/E16B50 exibe uma resistência de 46,3 N. Por fim, as estruturas foram selecionadas em virtude de sua porosidade, resistência mecânica à tração e compressão, destacando-se as estruturas T1/A8B30/E16B50 e T2/A8B40/E16B50.

In the last 10 years, spinal cord and vertebral injuries have become increasingly prevalent; it is estimated that between 250,000 and 500,000 individuals are affected annually by Spinal Cord Injury (SCI) (World Health Organization, 2013). Spinal cord injuries can occur due to accidents or aging, resulting in fractures, dislocations, or injuries that affect the mentioned tissue. Among the strategies for treatment, research is focused on the development of three-dimensional supports (scaffolds). These scaffolds can be implanted at the injury site to replace the damaged structure and/or promote the growth and regeneration of surrounding cells. Fibrous implants have various advantages, such as three-dimensionality (3D), porosity, elasticity, mechanical strength, biocompatibility, promoting the growth and regeneration of nerve cells, allowing the controlled release of bioactive compounds. Therefore, the main objective of this dissertation was centred on the design and development of implantable fibrous structures with potential application in the treatment of spinal cord injuries. Additionally, it is intended that these structures exhibit specific morphological characteristics that benefit cellular regeneration at the site of implantation. To achieve this, the process of developing the design of the structures was carried out using parametric modelling in Rhinoceros 3D®, including the Grasshopper plugin editor. After modelling the structures, they were produced using the braiding method with different numbers of threads and various processing parameters. The structures T1/A8B30/E16B50 and T2/A8B40/E16B50 are distinct in terms of structural construction. In the internal layer, T1/A8B30/E16B50 is composed of 8 braided threads, each with a diameter of 0.30 mm, while T2/A8B40/E16B50 has 8 threads with a diameter of 0.40 mm. Both external layers are formed by 16 threads with a diameter of 0.50 mm. Additionally, both structures exhibit good porosity. In T1/A8B30/E16B50, the porosity is 48.5% in the internal layer and 49.0% in the external layer. In T2/A8B40/E16B50, the porosity is 34.5% in the internal layer and 50.7% in the external layer. Regarding tensile strength, T1/A8B30/E16B50 reached 1504 N, while T2/A8B40/E16B50 reached 1674 N. In compression, T1/A8B30/E16B50 demonstrates a force of 66.6 N, while T2/A8B40/E16B50 exhibits a resistance of 46.3 N. Finally, the structures were selected based on their porosity, mechanical tensile and compressive strength, with the structures T1/A8B30/E16B50 and T2/A8B40/E16B50 standing out.