Ossos quebrados em um acidente (de esqui) geralmente cicatrizam sem intervenção médica. No entanto, quando uma fratura é particularmente grave ou um tumor ósseo precisa ser removido cirurgicamente, os médicos contam com implantes para estabilizar a área e apoiar o crescimento de novo osso.
Os implantes atuais são normalmente feitos de osso do próprio paciente (chamado de autoenxerto) ou de materiais metálicos e cerâmicos. Os autoenxertos requerem cirurgia adicional para colher tecido ósseo, o que aumenta o tempo de recuperação e os riscos cirúrgicos. Os implantes metálicos também podem causar problemas porque são muito mais duros que o osso natural e podem se soltar com o tempo, reduzindo a estabilidade a longo prazo.
Projetando implantes ósseos biologicamente sólidos
Os ossos são mais complexos do que parecem. Contém inúmeros túneis microscópicos e espaços ocos que são essenciais para a resistência e funcionalidade. “Para uma cura adequada, é crucial incorporar a biologia no processo de reparação”, disse Qin Xiaohua, professor de engenharia de biomateriais na ETH Zurich. O sucesso do reparo ósseo depende de vários tipos de células que entram primeiro no implante e depois trabalham juntas para construir novo tecido.
Para melhor corresponder a esta complexidade biológica, Qin e sua equipe, juntamente com o professor Ralph Müller da ETH, desenvolveram um novo hidrogel projetado especificamente para futuros implantes ósseos. O material macio, que tem textura semelhante à gelatina, dissolve-se gradualmente no corpo e pode eventualmente levar a implantes personalizados para pacientes individuais. Suas descobertas foram publicadas recentemente em materiais avançados.
Inspirado no processo de cura natural do corpo
Quando um osso se quebra pela primeira vez, o corpo não cria imediatamente tecido duro. Em vez disso, forma uma estrutura macia e permeável. Logo após uma lesão, pode aparecer hematoma ou hematoma no local da fratura. Esta estrutura temporária permite a entrada de células imunológicas e de reparação, ao mesmo tempo que fornece nutrientes. Uma rede de fibrina conecta essas células. Com o tempo, esta estrutura flexível transforma-se lentamente em ossos sólidos.
O hidrogel recentemente desenvolvido visa imitar esta fase inicial de cura. É composto por 97% de água e 3% de polímeros biocompatíveis. Para controlar quando e onde endurece, os pesquisadores adicionaram duas moléculas especiais. Um conecta as cadeias poliméricas e o outro reage quando exposto à luz, iniciando o processo de cura.
O ex-aluno de doutorado de Qin e Mueller, Qiu Wanwan, criou moléculas ligantes especificamente para esse propósito. “Isso permite o rápido estabelecimento de hidrogéis na faixa submícron”, disse ela. Quando pulsos de laser de comprimentos de onda específicos atingem o material, as cadeias poliméricas se ligam imediatamente e formam uma estrutura sólida. As áreas não expostas ao laser permanecem macias e podem ser removidas posteriormente.
Impressão a laser em nanoescala bate recorde
Usando essa técnica, a equipe conseguiu moldar o hidrogel com precisão com detalhes especiais. Os lasers podem criar estruturas tão pequenas quanto 500 nanômetros.
“O hidrogel é semelhante à geleia, por isso é difícil de moldar”, disse o professor Qin, da ETH Zurique. “Usando nossa molécula ligante recentemente desenvolvida, podemos agora não apenas construir o hidrogel de uma forma estável e extremamente fina, mas também produzi-lo em altas velocidades de escrita de até 400 milímetros por segundo. Este é um novo recorde mundial.”
Em seus experimentos, os pesquisadores criaram estruturas de hidrogel altamente detalhadas modeladas a partir de ossos reais. Usando imagens médicas como guia, eles reconstruíram a delicada rede conhecida como trabéculas, que dá força interna aos ossos.
O próprio osso natural contém uma impressionante rede de canais cheios de fluido com apenas nanômetros de largura. “Um pedaço de osso do tamanho de um dado contém 74 quilômetros de túneis”, disse Qin. Em comparação, o Túnel Base de São Gotardo, o túnel ferroviário mais longo do mundo, tem 54 quilómetros de comprimento.
Os primeiros testes de laboratório mostram resultados promissores
Até o momento, o material só foi avaliado em experimentos de laboratório. Em estudos em tubo de ensaio, os osteoblastos entraram rapidamente no hidrogel estruturado e começaram a produzir colágeno, um componente-chave do osso. Os pesquisadores também confirmaram que o material é biocompatível e não prejudicará essas células. O material base foi patenteado e a equipe pretende disponibilizá-lo aos fabricantes de produtos médicos.
O objetivo final é trazer implantes à base de hidrogel para uso clínico para reparar fraturas. Mais pesquisas ainda são necessárias. Qin está cooperando com o Instituto AO em Davos para preparar estudos em animais. Os testes examinarão se o material suporta o movimento das células formadoras de osso in vivo e pode restaurar a resistência óssea ao longo do tempo.
