Suporte ósseo em 3D tem sucesso na cicatrização de fraturas

Por Karin Santin* — Três pesquisadores da Universidade de Illinois, nos Estados Unidos, e da Universidade de Pequim, na China, testaram um novo processo biomimético de impressão 3D aplicado à recuperação de um modelo de fêmur quebrado. Publicada na Nature Communications, a pesquisa buscou verificar a capacidade de produzir um material com as mesmas características mecânicas do osso, incluindo a “arquitetura irregular” de um material natural e a capacidade de distribuir pressão sobre a fratura de forma ideal para estimular sua fratura. cura.

No artigo publicado, os cientistas destacam que, normalmente, os materiais sintéticos são pensados ​​como tendo estruturas padronizadas e regulares, ao contrário das microestruturas com padrão irregular que ocorrem na natureza. Padrões irregulares são mais difíceis de prever e reproduzir devido à sua geometria complexa.

Shelly Zhang, professora de engenharia civil e ambiental da Universidade de Illinois e coordenadora do grupo de pesquisa, afirma que o estudo dos materiais biomiméticos melhora a compreensão dos mecanismos que “dão diferentes funcionalidades aos materiais naturais, como proteção corporal, camuflagem e voo”. velocidade “. “Compreender esses mecanismos nos permite projetar materiais artificiais com propriedades inéditas”, destaca Zhang.

Ao escolher o exame para reparar fraturas de fêmur, os cientistas pensaram principalmente nos acidentes envolvendo idosos. A incorporação de um material mais próximo da mecânica óssea pode prevenir complicações comuns ao tratamento com suportes de titânio, como o afrouxamento da placa colocada e o surgimento de novas fraturas decorrentes da diferença de dureza em relação às próteses.

Avanços

Para cientistas da Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto da Universidade de São Paulo (FFCLRP-USP), a capacidade de reproduzir características humanas impressas em 3D é um avanço para a área médica. Ao Correio, Ana Paula Ramos e Lucas Fabrício Nogueira, pesquisadores do Departamento de Química, relataram ter realizado um estudo sobre regeneração óssea estimulada por biomateriais no qual destacam que as estruturas biomiméticas tendem a ser mais aceitas pelo corpo humano.

“Ao imitar as propriedades dos tecidos naturais, os materiais biomiméticos podem minimizar complicações associadas aos implantes tradicionais, como inflamações, infecções e rejeição. Podem também estimular a sua regeneração natural, promovendo uma recuperação mais rápida e eficiente”, afirmam os cientistas.

Willian Fernando Zambuzzi, que coordena estudo sobre aceleração da consolidação óssea com biomateriais na Universidade Estadual Paulista (Unesp), afirma que a impressão 3D biomimética também permite maior personalização durante o tratamento.

“A possibilidade de desenvolver desenhos farmacológicos e terapêuticos inspirados na natureza abre perspectivas para mecanismos terapêuticos personalizados. Cada paciente responde de maneira diferente aos tratamentos devido às variações em sua fisiologia, mesmo que todos se desenvolvam com as mesmas moléculas”, destaca Zambuzzi.

Cálculos

Para gerar a placa biomimética, o grupo de pesquisa utiliza dois programas em sequência na etapa inicial: um otimizador de propriedades do material e um simulador virtual de crescimento. A primeira indica as características necessárias para cada parte do objeto gerado com base em informações sobre o material natural (osso). A segunda gera o projeto dessa estrutura com base em quatro tipos de formatos de blocos pré-definidos pelos engenheiros.

“O Material Properties Optimizer nos mostra o melhor arranjo de materiais e distribuição de propriedades para a estrutura – onde o material deve ser colocado e se deve ser rígido ou macio. Com essas informações, o Virtual Growth Simulator cria aquela estrutura otimizada exata com os blocos de construção perfeitamente integrado”, resume Zhang.

Esta unidade fornece condições confiáveis ​​para a distribuição adequada de pressão sobre o local fraturado. Mas esses cálculos também são inseridos em um modelo de aprendizagem, utilizando inteligência artificial, para estabelecer a relação entre combinações estruturais e propriedades dos materiais. Com base na relação entre os dois, o cálculo feito originalmente pelos dois primeiros programas pode ser refeito e aplicado mais rapidamente posteriormente, segundo Zhang.

A capacidade de estimar com segurança a pressão necessária sobre esta tecnologia é um dos elementos centrais da pesquisa. A funcionalidade e a qualidade das impressões obtidas são altas, mas poderiam ser melhoradas com a inserção de novos e diferentes blocos de construção na fórmula, algo que os responsáveis ​​pela pesquisa deverão testar no futuro.

Versatilidade

Segundo Zhang, a técnica de impressão desenvolvida tem potencial para ser utilizada em outros tratamentos. Pesquisadores brasileiros confirmam que alguns dos outros usos possíveis na medicina seriam a reparação de lesões cranianas, a criação de implantes dentários e próteses maxilofaciais, bem como a substituição de articulações por hidrogéis e estruturas que imitam a cartilagem e o osso subjacente.

“Essa abordagem pode ser especialmente útil em casos complexos em que os enxertos tradicionais não são viáveis, como o enxerto autógeno (do próprio paciente) que está disponível em quantidade e qualidade limitada, além da necessidade de um novo sítio cirúrgico para obtenção isso”, destaca Zambuzzi.

Materiais biomiméticos feitos com esta técnica também poderiam ser usados ​​em robótica e arquitetura, diz Zhang: “No caso de um robô biomimético, podemos variar sua rigidez para ter diferentes modos de vibração e então usar a vibração para permitir seus movimentos. também conceber projetos arquitetônicos leves e aperiódicos, com estética e distribuição de rigidez desejadas”.

*Estagiário sob supervisão de Renata Giraldi

Potencial brasileiro

Os pesquisadores Ana Paula Ramos e Lucas Fabrício Nogueira, professores do Departamento de Química da FFCLRP, afirmam que a impressão 3D de suportes como o utilizado no tratamento de fraturas seria possível no Brasil. Segundo eles, além da necessidade clínica, a infraestrutura nacional de saúde e o cenário de pesquisa são capazes de absorver essa tecnologia.

“O Brasil possui um sistema de saúde emergente em alguns centros, como o Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da USP e o Hospital Israelita Albert Einstein, dado o incentivo e a presença de grupos de pesquisa internos nessas instituições”, destacam os cientistas.

Os pesquisadores reiteram que existem estudos brasileiros sobre biomateriais que poderiam ser utilizados de forma complementar ao suporte biomimético. O grupo de pesquisa da USP de Ribeirão Preto desenvolveu, por exemplo, uma solução à base de colágeno e açúcar de algas que estimula a cicatrização óssea.

“O colágeno oferece excelente biocompatibilidade e alta capacidade de ativar sinalização celular específica, estimulando a regeneração celular, enquanto a estrutura impressa em 3D pode fornecer suporte mecânico”, afirmam os professores.

No Instituto de Biociências da Unesp, o estudo liderado por Zambuzzi desenvolve outra alternativa para acelerar a reconstituição óssea: uma solução de fosfato de cálcio carregada de cobalto. O cobalto permite reproduzir a hipóxia, que corresponde a condições biológicas e atividades celulares em baixas concentrações de oxigênio.

“O cobalto estabelece um compromisso biomimético inspirado na fisiologia do osso, onde a hipóxia é um agente importante na promoção da angiogênese. A combinação das duas abordagens poderia potencialmente aumentar a eficácia do tratamento, oferecendo suporte mecânico através da estrutura impressa e das propriedades bioativas do fosfato de cálcio e cobalto.” (KS)

Glossário

» ANGIOGÊNESE – Série de ações celulares que coordenam o crescimento de vasos sanguíneos a partir de vasos pré-existentes. Esse crescimento é necessário para a regeneração dos tecidos e, no caso de fraturas ósseas, desencadeia a formação de um coágulo nas extremidades fraturadas que evolui para uma massa cartilaginosa mais dura, o calo temporário. Nesse calo proliferam as células fundamentais na formação do osso definitivo, chamadas osteoblastos.

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» BIOMATERIAIS – Dispositivos e estruturas naturais ou sintéticas compatíveis com sistemas biológicos. Eles são usados ​​para auxiliar no desempenho de certas funções do corpo e em tratamentos médicos. Alguns exemplos são titânio, cerâmica e colágeno.

»TESTES EX-VIVO E IN-VIVO – Os testes ex-vivo são realizados em tecidos ou órgãos ativos, mas isolados do corpo em laboratório. O teste in vivo é realizado em um organismo vivo completo (humano ou animal).

ANGIOGÊNESE – Série de ações celulares que coordenam o crescimento de vasos sanguíneos a partir de vasos pré-existentes. Esse crescimento é necessário para a regeneração dos tecidos e, no caso de fraturas ósseas, desencadeia a formação de um coágulo nas extremidades fraturadas que evolui para uma massa cartilaginosa mais dura, o calo temporário. Nesse calo proliferam as células fundamentais na formação do osso definitivo, chamadas osteoblastos.

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Quadro

BIOMIMÉTICA – Nicho científico que busca compreender e implementar princípios da estrutura dos materiais naturais no desenvolvimento de estruturas e materiais sintéticos. Possui aplicações que vão desde a arquitetura integrada ao meio ambiente até a produção de dispositivos para transporte de nutrientes no corpo humano.