Ossos quebrados em um acidente (de esqui) geralmente cicatrizam sem intervenção médica. No entanto, se a fratura for particularmente grave ou se um tumor ósseo precisar ser removido cirurgicamente, os médicos contam com implantes para estabilizar a área e apoiar o crescimento de novo osso.
Os implantes modernos são geralmente feitos de osso do próprio paciente, os chamados autoenxertos, ou de materiais metálicos e cerâmicos. Os autoenxertos requerem cirurgia adicional para colher tecido ósseo, o que aumenta o tempo de recuperação e o risco de cirurgia. Os implantes metálicos também podem apresentar problemas porque são muito mais duros que o osso natural e podem se soltar com o tempo, reduzindo a estabilidade a longo prazo.
Desenvolvimento de implantes ósseos que trabalham com biologia
O osso é muito mais complexo do que parece. Contém inúmeros túneis microscópicos e vazios essenciais para resistência e funcionalidade. “Para uma cura adequada, é vital que a biologia seja incluída no processo de reparação”, diz Xiao-Hua Qin, professor de engenharia de biomateriais na ETH Zurique. A regeneração óssea bem-sucedida depende de vários tipos de células que primeiro se deslocam para o implante e depois trabalham juntas para criar novo tecido.
Para melhor corresponder a esta complexidade biológica, Qing e sua equipe, juntamente com o professor da ETH Ralf Müller, desenvolveram um novo tipo de hidrogel projetado para futuros implantes ósseos. O material macio e gelatinoso dissolve-se gradualmente no corpo e pode eventualmente permitir implantes personalizados adaptados a pacientes individuais. Seus resultados foram publicados recentemente em Materiais adicionais.
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 suave e penetrante. Nos primeiros dias após a lesão, surge um hematoma ou hematoma no local da fratura. Esta estrutura temporária permite que as células imunológicas e em regeneração se movam enquanto fornece nutrientes. Uma rede de fibrina mantém essas células unidas. Com o tempo, esta estrutura flexível transforma-se lentamente em osso duro.
Um hidrogel recentemente desenvolvido foi concebido para imitar esta fase inicial da cura. Consiste em 97% de água e 3% de polímero biocompatível. Para controlar quando e onde solidifica, os pesquisadores adicionaram duas moléculas especializadas. Um conecta as cadeias poliméricas e o outro reage à luz, desencadeando o processo de solidificação.
Wanwan Qiu, ex-bolsista de pós-doutorado de Qin e Müller, criou uma molécula de ligação especificamente para esse propósito. “Isso permite a rápida estruturação de hidrogéis na faixa submicrométrica”, diz ela. Quando pulsos de laser de um determinado comprimento de onda atingem o material, as cadeias poliméricas se conectam imediatamente e formam uma estrutura forte. As áreas que não foram expostas ao laser permanecem macias e podem ser removidas posteriormente.
Impressão a laser recorde em nanoescala
Usando esta técnica, a equipe pode formar o hidrogel com precisão e detalhes excepcionais. O laser pode criar estruturas de até 500 nanômetros de tamanho.
“Os hidrogéis se assemelham a geleia, o que os torna difíceis de formar”, diz o professor Qin da ETH. “Com a nossa molécula ligante recentemente desenvolvida, podemos agora não só estruturar o hidrogel de uma forma estável e extremamente fina, mas também produzi-lo a uma alta velocidade 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 recriaram a delicada rede conhecida como trabéculas, que dá ao osso sua força interna.
O próprio osso natural contém uma incrível rede de canais cheios de fluido com apenas nanômetros de largura. “Um pedaço de osso do tamanho de um cubo contém 74 quilômetros de túneis”, diz Qin. Em comparação, o Túnel Base de São Gotardo, o túnel ferroviário mais longo do mundo, estende-se por 54 quilómetros.
Os primeiros testes laboratoriais mostram resultados promissores
Até o momento, o material foi avaliado apenas em experimentos de laboratório. Estudos in vitro, as células formadoras de osso migraram rapidamente para o hidrogel estruturado e começaram a produzir colágeno, um componente essencial do osso. Os pesquisadores também confirmaram que o material é biocompatível e não agride essas células. O material básico foi patenteado e a equipe pretende disponibilizá-lo aos fabricantes de dispositivos médicos.
O objetivo final é colocar implantes de hidrogel em uso clínico para o reparo de ossos quebrados. Mais pesquisas ainda são necessárias. Qin está preparando os estudos em animais em parceria com o AO Research Institute Davos. Estes ensaios examinarão se o material apoia o movimento das células formadoras de ossos nos organismos vivos e se pode restaurar a resistência óssea ao longo do tempo.
