Hidrogéis de alginato para bioimpressão 3d : um estudo exploratório

Abstract

O alginato de sódio é um dos polímeros mais estudados na pesquisa de encapsulamento celular, devido ao histórico de desenvolvimento da área e às suas características apropriadas para essa aplicação, nas modalidades de microencapsulamento e macroencapsulamento. A nova tecnologia de bioimpressão 3D permite construir dispositivos com células encapsuladas que contornam os principais problemas enfrentados nas outras modalidades. Todavia, o alginato de sódio apresenta características que impedem uma impressão precisa, sendo inapropriado para a bioimpressão. Este trabalho teve como objetivo investigar a influência de diferentes composições de hidrogel baseado em alginato de sódio nas propriedades reológicas e nas características estruturais de dispositivos impressos em 3D visando futura aplicação como tecnologia de encapsulamento celular. Como íons reticulantes, foram avaliados Ca2+, Ba2+, Cu2+ e Fe3+. O alginato utilizado foi caracterizado por GPC (𝑀𝑛 ̅̅̅̅ = 74,607 kDa) e teve sua razão M/G avaliada por RMN 1H, sendo o valor encontrado de 1,46. As nanopartículas de sílica foram sintetizadas através de uma rota sol-gel básica baseada no método de Stöber. A composição dos hidrogéis foi otimizada através de testes de triagem com uma escala Likert. Nessa etapa, os hidrogéis reticulados com íon Fe3+ resultaram em materiais impróprios para impressão por extrusão. Para a caracterização dos hidrogéis produzidos, utilizou-se as técnicas de FT-IR, Potencial Zeta, MEV, ensaios reológicos e de intumescimento. As medidas de potencial Zeta apresentaram carga negativa para todas as composições, variando de -36,6 ± 4,9 mV a -62,3 ± 1,8 mV. A adição de nanopartículas de SiO2 nas formulações resultou em um aumento no valor de potencial zeta. Isso indica que sua presença aumenta a estabilidade das dispersões de forma significativa, o que também foi constatado nas análises de MEV e de grau de intumescimento. As varreduras de frequência resultaram em valores de tan(δ) superiores à 0,1 para todos os hidrogéis avaliados, indicando a necessidade de uma etapa de pós-reticulação. Os hidrogéis pré-reticulados com Ca2+, Ba2+ e Cu2+ apresentaram resultados promissores para aplicação de encapsulamento celular através da bioimpressão 3D por extrusão.

Sodium alginate is one of the most studied polymers in cell encapsulation research, due to the area’s history of development and its appropriate characteristics for this application, in microencapsulation and macroencapsulation modalities. The new 3D bioprinting technology makes it possible to build devices with encapsulated cells that overcome the main problems faced with other encapsulation modalities. However, sodium alginate has characteristics that prevent accurate printing, and was considered inappropriate for 3D bioprinting technique. This work aimed to investigate the influence of different hydrogel compositions based on sodium alginate on the rheological properties and structural characteristics of 3D printed devices with potencial future application in cell encapsulation technology. As crosslinking ions, Ca2+, Ba2+, Cu2+, and Fe3+ were evaluated. The alginate used was characterized by GPC (𝑀𝑛 ̅̅̅̅ = 74,607 kDa) and had its M/G ratio evaluated by 1H-NMR, yielding a value of 1.46. Silica nanoparticles were synthesized via basic sol-gel route based on the Stöber method. The composition of the hydrogels was optimized through screening tests and a Likert scale. At this stage, Fe3+ ion resulted in materials unsuitable for extrusion printing. To characterize the hydrogels produced, rheological analyzes were carried out, as well as FT-IR, Zeta Potential, SEM and swelling tests. Zeta potential measurements showed a negative charge for all compositions, ranging from -36.6 ± 4.9 mV to -62.3 ± 1.8 mV. The addition of SiO2 nanoparticles to the formulations resulted in an increase in the zeta potential value. This indicates that its presence significantly increases the stability of the dispersions, which was also observed in the SEM analyzes and swelling degree. Frequency sweeps resulted in tan(δ) values greater than 0.1 for all hydrogels evaluated, indicating the need for a post-crosslinking step. Hydrogels pre-crosslinked with Ca2+, Ba2+ and Cu2+ were considered printable materials and showed promising results for application in extrusion 3D bioprinting cell encapsulation.