Development of Bioinks Based on Hybrid Gels and Magnetic Nanoparticles for Biomedical Applications

Abstract

O cancro continua a ser um desafio para a saúde a nível mundial, exigindo abordagens inovadoras para terapias específicas e regeneração de tecidos. Em resposta, a procura crescente de biomateriais avançados na engenharia de tecidos e na medicina regenerativa estimulou a inovação nas tecnologias de bioimpressão 3D. Este estudo centra-se na síntese de hidrogéis multifuncionais usando quitosano metacrilato (ChiMA), nanocristais de celulose (CNCs) e nanopartículas de óxido de ferro superparamagnético (SPIONs) para enfrentar desafios críticos em aplicações biomédicas. Utilizando a reticulação induzida por UV, foi conseguido um controlo preciso das propriedades dos materiais, permitindo o fabrico de arquitecturas de tecidos complexas e funcionais. Os SPIONs foram integrados para fornecer capacidades de hipertermia magnética, resultando num aumento de temperatura de aproximadamente 3°C sob um campo magnético alternado (300 Gauss, 388 kHz), melhorando simultaneamente a estabilidade mecânica. Os hidrogéis apresentaram um comportamento de diluição por cisalhamento, essencial para a bioimpressão baseada em extrusão, com os SPIONs a aumentar a viscosidade a baixas taxas de cisalhamento para melhorar a fidelidade estrutural durante a deposição. A caraterização mecânica revelou um aumento de 92% no módulo de compressão (320 Pa para 167 Pa no controlo), atribuído a interações sinérgicas entre CNCs e SPIONs que reforçaram a rede reticulada. Os estudos de inchaço demonstraram uma boa retenção de água (fração de gel >95%) e um inchaço de equilíbrio (aproximadamente 1500%), garantindo integridade estrutural em condições fisiológicas. A análise morfológica via SEM/EDS confirmou o sucesso da incorporação de SPION, mas identificou problemas de agregação, enfatizando a necessidade de melhores estratégias de dispersão. Estes resultados posicionam os hidrogéis ChiMA/CNC reforçados com SPIONs como plataformas versáteis para bioimpressão 3D, combinando propriedades mecânicas personalizadas, potencial de entrega controlada de fármacos e funcionalidade de hipertermia localizada. O trabalho futuro irá otimizar a concentração de SPIONs e a modificação da superfície para melhorar a eficácia e uniformidade térmicas, avançando para soluções clinicamente viáveis para a terapia do cancro e estruturas engenharia de tecidos.

Cancer remains a significant global health burden, necessitating innovative approaches for targeted therapy and tissue regeneration. In response to this, the rising demand for advanced biomaterials in tissue engineering and regenerative medicine has spurred innovation in 3D bioprinting technologies. This study focuses on synthesizing multifunctional hydrogels using methacrylate chitosan (ChiMA), cellulose nanocrystals (CNCs), and superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) to tackle critical challenges in biomedical applications. By utilizing UV-induced photocrosslinking, precise control over material properties was achieved, enabling the fabrication of complex, functional tissue architectures. SPIONs were integrated to provide magnetic hyperthermia capabilities, resulting in a temperature increase of approximately 3°C under an alternating magnetic field (300 Gauss, 388 kHz), while simultaneously enhancing mechanical stability. The hydrogels exhibited shear-thinning behaviour, which is essential for extrusion-based bioprinting, with SPIONs increasing viscosity at low shear rates to improve structural fidelity during deposition. Mechanical characterization revealed a 92% increase in compressive modulus (from 320 Pa to 167 Pa for controls), attributed to synergistic interactions between CNCs and SPIONs that enhanced the crosslinked network. Swelling studies demonstrated exceptional water retention (gel fraction >95%) and equilibrium swelling (approximately 1500%), highlighting strong structural integrity under physiological conditions. Morphological analysis via SEM/EDS confirmed successful SPION incorporation but identified aggregation issues, emphasizing the need for improved dispersion strategies. These results position SPIONs reinforced ChiMA/CNC hydrogels as versatile platforms for 3 D bioprinting, combining tailored mechanical properties, controlled drug delivery potential, and localized hyperthermia functionality. Future work will optimize SPION concentration and surface modification to improve thermal efficacy and uniformity, advancing toward clinically viable solutions for cancer therapy and engineered tissue scaffolds.