Ossos quebrados em um acidente (de esqui) geralmente são reparados 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 geralmente são feitos de osso do próprio paciente, chamado autoenxerto, ou de materiais metálicos e cerâmicos. O autoenxerto requer uma operação adicional para colheita de tecido ósseo, o que aumenta o tempo de recuperação e o risco cirúrgico. Os implantes metálicos também podem representar problemas porque são muito mais rígidos que o osso natural e podem se soltar com o tempo, reduzindo a estabilidade a longo prazo.
Projetando implantes ósseos que funcionam com biologia
Os ossos são muito mais complexos do que parecem. Contém inúmeros túneis microscópicos e espaços ocos que são essenciais para a força e a função. “Para uma cura adequada, é essencial incorporar a biologia no processo de reparação”, diz Xiao-Hua Qin, professor de engenharia de biomateriais na ETH Zurique. O sucesso do reparo ósseo depende da migração de vários tipos de células primeiro para o implante e, em seguida, trabalhando juntas para formar novo tecido.
Para melhor atender a essa complexidade biológica, Keen 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, de textura semelhante à gelatina, dissolve-se lentamente dentro do corpo e pode eventualmente permitir implantes personalizados para pacientes individuais. Seus resultados foram publicados recentemente Materiais avançados.
Inspirado no processo de cura natural do corpo
Quando um osso é quebrado pela primeira vez, o corpo não regenera imediatamente o tecido duro. Em vez disso, forma uma estrutura macia e permeável. Nos primeiros dias após a lesão, forma-se um hematoma ou hematoma no local da fratura. Esta estrutura temporária permite que as células imunológicas e de reparação migrem, ao mesmo tempo que fornece nutrientes. Uma rede de fibrina mantém essas células unidas. Com o tempo, esta estrutura flexível transforma-se gradualmente em osso duro.
O hidrogel recentemente desenvolvido foi concebido para imitar esta fase inicial de cura. Consiste em 97% de água e 3% de polímeros biocompatíveis. Para controlar quando e onde endurece, os pesquisadores adicionaram duas moléculas especiais. Um liga as cadeias poliméricas, enquanto o outro reage quando exposto à luz, desencadeando o processo de solidificação.
O ex-aluno de doutorado de Qin e Müller, Wanwan Qi, projetou a molécula de ligação especificamente para esse propósito. “Isso permite a rápida formação de hidrogéis na faixa submicrométrica”, diz ele. Quando um pulso de laser de comprimento de onda específico atinge o material, as cadeias poliméricas se ligam imediatamente e formam uma estrutura rígida. As áreas não expostas ao laser permanecem macias e podem ser removidas posteriormente.
Impressão a laser recorde em nanoescala
Usando esta técnica, a equipe conseguiu moldar o hidrogel com precisão e detalhes excepcionais. O laser pode criar estruturas tão pequenas quanto 500 nanômetros.
“Os hidrogéis se assemelham a geleia, o que os torna difíceis de moldar”, disse Keen, professor da ETH. “Com nossas moléculas ligantes recentemente desenvolvidas, podemos agora não apenas formar hidrogéis de maneira estável e altamente precisa, mas também criá-los 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 em osso real. Usando imagens médicas como guia, eles recriaram a delicada rede conhecida como trabéculas, que dá ao osso sua força interna.
O próprio osso natural possui uma incrível rede de canais cheios de fluido com apenas nanômetros de largura. “Um pedaço de osso do tamanho de um dado tem 74 quilômetros de túneis”, disse Keen. Para efeito de comparação, o Túnel Base de São Gotardo, o túnel ferroviário mais longo do mundo, se estende por 54 km.
Os primeiros testes de laboratório mostram resultados promissores
Até o momento, o material só foi avaliado em testes de laboratório. Em estudos em tubos de ensaio, as células formadoras de osso migraram rapidamente para o hidrogel estruturado e começaram a produzir colágeno, um componente essencial do osso. Os pesquisadores confirmaram que o material é biocompatível e não agride essas células. O ingrediente base é patenteado e a equipe deseja disponibilizá-lo aos fabricantes de produtos médicos.
O objetivo final é trazer implantes à base de hidrogel para uso clínico para reparo ósseo fraturado. Pesquisas adicionais ainda são necessárias. O Instituto de Pesquisa Qin Ao está preparando estudos em animais em parceria com Davos. Esses testes testarão se o material suporta o movimento das células formadoras de osso dentro de um animal vivo e se pode restaurar a resistência óssea ao longo do tempo.
