Development and Evaluation of Scaffolds for Bone Regeneration, Produced by 3D Printing and coated with a composite of PCL and Bioglass® Doped with Magnesium

Abstract

Bone regeneration is currently one of the most prominent areas in tissue engineering, partic- ularly in the treatment of critical size defects, where the bone's natural healing capacity is in- sufficient. The use of biodegradable scaffolds offers promising solutions by mimicking the ex- tracellular matrix and providing a strong scaffold for bone growth. This study investigates the creation and performance of bioactive scaffolds for bone regener- ation using polylactic acid (PLA) coated with a polycaprolactone (PCL) composite incorporating magnesium-doped bioglass (Mg-BG). The Fused Deposition Modelling (FDM) technique was used to create the scaffolds, with an emphasis on bioactivity and cellular interaction. The chemical composition of the coating was analysed using Fourier transform infrared spec- troscopy (FTIR), while the surface morphology was evaluated using scanning electron micros- copy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS). The release of ions from the compound was evaluated using inductively coupled plasma (ICP) spectroscopy. The scaffolds were also tested for bioactivity through immersion in simulated body fluid (SBF) and the formation of an apatite layer was monitored over a period of 14 days. Cytotoxicity and cell proliferation were evaluated through resazurin assays in human osteosarcoma cells (SaOS-2), while cellular activ- ity was measured by the release of ALP (alkaline phosphatase). The results revealed that magnesium-doped bioglass composites demonstrated improved bi- oactivity, more stable ion release, greater cell adhesion and proliferation, and lower cytotoxicity compared to undoped bioglass, exhibiting their potential for osteogenic applications. These data suggest that Mg-doped bioglass is a notable option for bone tissue engineering applica- tions, offering essential bioactive properties to improve bone regeneration.

A regeneração óssea é atualmente uma das áreas de maior destaque na engenharia de tecidos, particularmente no tratamento de defeitos de tamanho crítico, onde a capacidade de cicatri- zação natural do osso é insuficiente. A utilização de scaffolds biodegradáveis oferece soluções promissoras ao imitar a matriz extracelular e fornecer uma estrutura fortalece para o cresci- mento ósseo. Este estudo investiga a criação e o desempenho de scaffolds bioativos, para regeneração ós- sea, utilizando poliácido lático (PLA), revestido com um compósito de policaprolactona (PCL) incorporando biovidro dopado com magnésio (Mg-BG). Foi utilizada a técnica de Modelação por Deposição Fundida (FDM) para a criação dos scaffolds, com ênfase na bioatividade e inte- ração celular. A composição química do revestimento foi analisada através de espectroscopia de infraver- melho por transformada de Fourier (FTIR), enquanto a morfologia superficial foi avaliada utili- zando microscopia eletrónica de varrimento (SEM) e espectroscopia de dispersão de energia (EDS). A libertação de iões do composto foi avaliada através de espectroscopia de plasma in- dutivamente acoplado (ICP). Os scaffolds foram ainda testados quanto à bioatividade, através da imersão em fluido corporal simulado (SBF) e foi monitorizada da formação de camada de apatite ao longo de um período de 14 dias. A citotoxicidade e a proliferação celular foram avaliadas através de ensaios de resazurina em células humanas de osteossarcoma (SaOS-2), enquanto a atividade celular foi medida pela libertação de fosfatase alcalina ALP. Os resultados revelaram que os compósitos de biovidro dopados com magnésio demonstra- ram bioatividade melhorada, libertação de iões mais estável, maior adesão celular e prolifera- ção e menor citotoxicidade em comparação com o biovidro não dopado, exibindo o seu po- tencial para aplicações osteogénicas. Estes dados sugerem que os biovidro dopado com Mg é uma opção notável para as aplicações em engenharia de tecidos ósseos, oferecendo proprie- dades bioativas essenciais para melhorar a regeneração óssea.