Analysis and optimization of the Drying process of an aerogel for biomedical applications

Abstract

A produção de scaffolds para engenharia de tecidos é uma área de investigação, cujo interesse tem aumentado ao longo do tempo. A procura de métodos ''verdes'' que promovam tanto processos eficientes a nível energético, como a redução de desperdícios, tem requerido metodologias ótimas e que garantam qualidade. Tomando como inspiração o exemplo de outras indústrias de produção, como a indústria farmacêutica que tem promovido a adoção de abordagens de qualidade pelo design para assim melhorar os seus processos, otimizando-os, este trabalho enaltece a importância de adotar uma abordagem semelhante para o processo de produção de um aerogel para engenharia de tecidos óssea. Os dados que foram recolhidos para este processo não foram obtidos conforme uma metodologia ótima, como é o caso do design de experiências e, como tal, foi mais difícil extrair a máxima informação a partir de um número limitado de experiências. Contudo, o objetivo principal foi o de encontrar uma forma de estimar os valores dos parâmetros capazes de otimizar o processo. Para isso, em primeiro lugar propôs-se uma divisão sistemática e rigorosa do processo. Assim, aplicou-se um método de seleção de variáveis através de uma regressão passo-a-passo com seleção em frente que levou à obtenção de modelos capazes de representar o processo em estudo. Posteriormente, aplicou-se uma otimização multi-objetivo, com recurso a funções desejáveis. A abordagem mencionada foi capaz de otimizar várias respostas em simultâneo, sendo estas propriedades específicas do aerogel. Consequentemente, com esta abordagem foi possível não só perceber como os parâmetros do processo influenciam o produto final, mas também como estes podem ser geridos para produzir um aerogel adequado a uma aplicação médica específica. Para além disto, é também possível monitorizar a produção tendo em conta as limitações do processo e/ou dos recursos.

The production of scaffolds for tissue engineering is a research area that has received increasing interest through the course of time. The search for greener manufacturing methods to promote energy-efficient processes, as well as waste reduction, has demanded for both optimal and quality-assuring methodologies. Inspired by the example of other manufacturing industries, such as the pharmaceutical industry, which has promoted the adoption of quality by design approaches to its processes in order to optimize them, this work highlights the importance of adopting such an approach to the specific process of aerogel production for bone tissue engineering. The data collected for this process was not obtained according to an optimal methodology such as the design of experiments, making it more difficult to extract the maximum amount of information from a limited number of experimental runs. Nonetheless, the main goal was to find a way of estimating the best settings of the parameters that optimized this process. Therefore, a rigorous and systematic division of the process was initially proposed. On that account, a variable selection procedure using stepwise regression with forward selection was applied, leading to models able to mimic the process studied. Afterwards, a multi-objective optimization using desirability functions was employed. This approach was able to simultaneously optimize several responses which were aerogel specific properties. Consequently, it was possible, not only to understand how the process parameters affect the final product, but also how they can be managed to produce aerogels fit for a specific medical application. Moreover, it can also monitor the production with regard to the process and/or resources limitations.