Projetos / 3D-BONECRAFT

Das interfaces moleculares
aos protótipos de scaffolds.

Desenvolvimento e avaliação de biocompósitos PHA–MXene através de modelação molecular, preparação de materiais, caracterização, extrusão e impressão 3D.

Protótipo de scaffold impresso em 3D, com uma grelha visível no topo e textura lateral em camadas — Protótipo de scaffold produzido por fabrico com filamento fundido no 3D-BONECRAFT.

3D-BONECRAFT

Como é que a composição do polímero, a química da superfície do MXene e o processamento influenciam um compósito imprimível para estruturas de suporte ósseo?

Coordenado por Bruno Faria, o projeto combina estudos atomísticos com o desenvolvimento e fabrico de materiais.

As estruturas de suporte ósseo precisam de combinar biocompatibilidade com um comportamento mecânico adequado ao suporte pretendido e uma arquitetura ajustada ao tecido a reparar. Numa estrutura de suporte de polímero biodegradável, o desafio inclui também produzir a estrutura desejada de forma fiável por impressão 3D.

O 3D-BONECRAFT explora os biocompósitos PHA–MXene como uma via para esta combinação. O PHA fornece a matriz polimérica biodegradável; as folhas de MXene oferecem uma fase rígida, com elevada razão de aspeto, química de superfície ajustável e condutividade elétrica. O projeto investiga como combinar estas características para melhorar o equilíbrio entre processabilidade, resposta mecânica e funcionalidade elétrica em filamentos e protótipos de scaffolds.

Questões científicas

Três questões ligadas entre si.

A interface

Como é que a arquitetura do polímero e a química da superfície afetam o contacto e a interação moleculares?

O material

Como é que a formulação e a preparação afetam o material que pode ser caracterizado e processado?

A via de fabrico

Que condições de processamento permitem produzir filamento e imprimir estruturas?

Resultados de três manuscritos submetidos

Das escolhas de modelação
à resposta do material.

Escolhas de modelação Adsorção Deformação por tração

01 / Revisão · Manuscrito submetido

A questão física
determina o modelo.

Os polímeros influenciam os compósitos de MXene para além da adsorção inicial: podem estabelecer pontes entre folhas vizinhas, reorganizar a água e os iões e alterar o ambiente molecular que rege a resposta do material.

Os cálculos de fragmentos examinam preferências químicas locais. A representação explícita de cadeias poliméricas e solvente em dinâmica molecular permite abordar a organização e o rearranjo; quando as alterações nas ligações são centrais, são necessários modelos reativos ou dinâmica ab initio.

Conclusão principal

Uma comparação com significado exige verificar as interações entre componentes, a atribuição de cargas, a representação do solvente e o observável medido. Os estudos revistos não estabelecem uma classificação universal de polímeros ou terminações de superfície.

Bruno Faria. Computational Modeling of MXene–Polymer Composites for Biomaterials Research: From Model Choices to Material Behavior. Manuscrito submetido.

02 / Adsorção · Manuscrito submetido

Como é que a arquitetura das cadeias
influencia o contacto com a superfície?

A dimensão e a disposição da cadeia principal e das cadeias laterais do polímero influenciam a forma como uma cadeia se pode acomodar numa superfície de MXene. As alterações na arquitetura das cadeias afetam tanto o contacto com a superfície como a energia de interação associada à adsorção.

A geometria de contacto e as interações químicas precisam de ser consideradas em conjunto. Um maior contacto, por si só, não descreve de forma completa a interação polímero–superfície.

Configuração atomística representativa de uma cadeia polimérica em contacto com uma superfície de MXene — Configuração representativa de polímero–MXene · Dinâmica molecular

Composições dos modelos: P(3HB), P(3HB-co-3HV), P(3HB-co-5HHx) e P(4H3PB), com MXene Ti₃C₂Tₓ com terminações O, OH e mistas O/OH. Temperatura: 300 K.

Bruno Faria. Role of chain structure and surface termination in polyhydroxyalkanoate adsorption on Ti₃C₂Tₓ MXene. Manuscrito submetido.

03 / Deformação por tração · Manuscrito submetido

Visualizar a evolução de cavidades.

Três vistas sucessivas da simulação que mostram a evolução de uma cavidade em torno de uma folha de MXene; o laranja assinala a região interfacial e o violeta a região no seio da matriz — Evolução de cavidades durante a deformação · Simulação molecular

Composições dos modelos: matrizes de PHA com folhas de MXene Ti₃C₂Tₓ, com 11.20–15.24 wt% de MXene. Temperatura: 300 K.

Bruno Faria. Mechanical Behavior and Structural Evolution of PHA–MXene Nanocomposites under Tensile Deformation. Manuscrito submetido.

Preparação de materiais e fabrico

Produzir o material.
Testar a via de processamento.

O trabalho experimental inclui preparação e tratamento de MXene, filmes de materiais, caracterização térmica e mecânica, extrusão e fabrico com filamento fundido.

As fotografias originais abaixo documentam a montagem de extrusão, a produção de filamento e a impressão de um protótipo de scaffold.