Process development for 3D printing of thermoplastic collagen as drug delivery for bone infection

Abstract

Todos os anos, mais de 1.5 milhões de implantes totais do joelho e da anca são realizados, o que se traduz na necessidade urgente de encontrar um sistema de transporte de fármacos, que possa, efetiva mente, ajudar nas infeções ósseas. Um implante ideal para a substituição ou reparação óssea, deve ser biocompatível, biodegradável, e deve ter propriedades mecânicas adequadas. Neste sentido, são fre quentemente utilizados implantes de biopolímeros naturais. A presente investigação visa desenvolver scaffolds que possam, efetivamente, gerar respostas celulares e mecânicas adequadas ao osso, e assim, ajudar nas infeções ósseas. Foram então impressas, pela primeira vez, scaffolds, utilizando como bio material o colagénio termoplástico (TC), recorrendo a uma 3D Bioplotter. Foi previamente realizado um estudo reológico do material. A viscosidade dinâmica do material foi analisada utilizando um reómetro Anton Paar Physica. Seguidamente, a lei de Hagen Poiseuille foi usada para investigar o efeito da visco sidade dinâmica do material na pressão. Por último, foram realizados testes de compressão, recorrendo à máquina universal de testes Zwick/Roell. Na análise das propriedades viscoelásticas do TC, o material revelou uma melhor capacidade de impressão com o aumento da temperatura e com a diminuição da viscosidade dinâmica (𝜂), módulo de armazenamento (𝐺′) e módulo de perda (𝐺′′). A lei de Hagen Poiseuille permitiu conhecer a gama de temperaturas mais adequadas para a extrusão. Neste sentido, verificou-se que quando uma temperatura de 112 ºC é aplicada, deixa de ser possível a extrusão do material, porque abaixo desta temperatura a queda da pressão calculada é inferior à pressão máxima do sistema. A scaffold com estrutura quadrada e geometria interna em linhas revelou a melhor resistência à compressão com 8,03 ± 4,16 MPa. Foi demonstrado, pela primeira vez que o TC pode ser utilizado na construção de scaffolds utilizando técnicas de impressão 3D.

With more than 1.5 million total knee and hip implants performed each year, there is an urgent need for a drug delivery system that can effectively aid in the repair of bone infections. Scaffolds made of natural biopolymers are often used for this purpose due to their biocompatibility, biodegradability, and appropriate mechanical properties. The present investigation aims to develop three-dimensional scaffolds with different outer structures and inner geometries, which can elicit appropriate cellular and mechanical re sponses and thus help the body to regenerate or replace tissue. Three-dimensional scaffolds were printed for the first time from thermoplastic collagen biomaterial (TC) using a 3D printing. For this purpose, a rheological analysis of the material was carried out beforehand. Measurements of the material viscosity were performed using an Anton Paar Physica rheometer. Subsequently, the study of the effect of the dynamic viscosity of the material on the applied pressure was analyzed using the Hagen Poiseuille´s law. An EnvisionTEC´s 3D Bioplotter was used to fabricate the TC scaffolds. To determine the mechanical properties of the TC scaffolds, compression tests were performed on a Zwick/Roell universal testing ma chine. In the viscoelastic properties of thermoplastic collagen, the material showed better printability with the increasing temperature and decreasing of dynamic viscosity (𝜂), of storage modulus (𝐺′) and of loss modulus (𝐺′′). Using the Hagen Poiseuille´s law, it was found that extrusion of the material at a temperature lower than 112 ºC was no longer possible because the calculated pressure drop (𝛥𝑝𝑛𝑒𝑒𝑑𝑙𝑒 𝑡𝑖𝑝) was lower than the maximum pressure of the system. The scaffold that showed the best compressive strength was the outer square structure scaffold with inner line geometry with 8.03 ± 4.16 MPa. It was demonstrated for the first time that thermoplastic collagen could be used to construct scaffolds using 3D printing techniques.