Fraturas ósseas ocasionadas por acidentes de esqui muitas vezes se curam sem intervenção médica. No entanto, em casos de fraturas graves ou quando é necessário remover um tumor ósseo, os médicos utilizam implantes para estabilizar a região e apoiar o crescimento de novo osso.
Os implantes modernos são, geralmente, feitos do próprio osso do paciente, conhecidos como autófitos, ou de materiais metálicos e cerâmicos. Os autófitos exigem uma cirurgia adicional para a coleta do tecido ósseo, o que aumenta o tempo de recuperação e os riscos cirúrgicos. Implantes metálicos também podem apresentar problemas, pois são muito mais rígidos do que o osso natural e podem afrouxar com o tempo, reduzindo a estabilidade a longo prazo.
Desenvolvendo Implantes Ósseos que Interagem com a Biologia
O osso é bem mais complexo do que parece. Ele possui incontáveis túneis microscópicos e espaços ocos que são essenciais para sua resistência e funcionalidade. “Para uma cura adequada, é vital que a biologia seja incorporada ao processo de reparo,” afirma Xiao-Hua Qin, Professor de Engenharia de Biomateriais no ETH Zurich. O sucesso na reparação óssea depende de vários tipos de células que devem se mover primeiro para o implante e, em seguida, trabalhar em conjunto para construir novo tecido.
Para melhor imitar essa complexidade biológica, Qin e sua equipe, juntamente com o Professor Ralph Müller do ETH, desenvolveram um novo tipo de hidrogel projetado para futuros implantes ósseos. Este material macio, semelhante à textura de gelatina, se dissolve gradualmente dentro do corpo e pode, eventualmente, permitir a fabricação de implantes personalizados para pacientes individuais. Suas descobertas foram recentemente publicadas na Advanced Materials.
Inspirado pelo Processo Natural de Cicatrização do Corpo
Quando um osso se quebra, o corpo não cria imediatamente tecido duro. Em vez disso, forma uma estrutura macia e permeável. Nos primeiros dias após a lesão, um hematoma ou contusão se desenvolve no local da fratura. Esse andaime temporário permite que células imunológicas e de reparo se movimentem enquanto fornecem nutrientes. Uma rede de fibrina mantém essas células unidas. Com o tempo, essa estrutura flexível se transforma lentamente em osso sólido.
O hidrogel recém-desenvolvido foi projetado para imitar essa fase inicial de cicatrização. Ele consiste em 97% de água e 3% de polímero biocompatível. Para controlar quando e onde o material endurece, os pesquisadores adicionaram duas moléculas especializadas. Uma conecta as cadeias de polímeros, enquanto a outra reage quando exposta à luz, ativando o processo de solidificação.
Wanwan Qiu, ex-aluna de doutorado de Qin e Müller, criou a molécula de ligação especificamente para essa finalidade. “Ela permite a estruturação rápida de hidrogéis em nível submicrométrico,” afirma. Quando pulso de laser de uma determinada comprimento de onda atinge o material, as cadeias de polímero se ligam imediatamente e formam uma estrutura sólida. As áreas não expostas ao laser permanecem macias e podem ser removidas posteriormente.
Impressão a Laser de Alta Precisão em Nanoscale
Usando essa técnica, a equipe consegue moldar o hidrogel com precisão excepcional. O laser pode criar estruturas com até 500 nanômetros de tamanho.
“Hidrogéis se assemelham a gelatina, tornando-os difíceis de moldar,” diz o Professor Qin do ETH. “Com a nossa nova molécula de ligação desenvolvida, agora podemos estruturar o hidrogel de maneira estável e muito fina, além de produzi-lo em altas velocidades de até 400 milímetros por segundo. Isso é um novo recorde mundial.”
Em seus experimentos, os pesquisadores produziram estruturas de hidrogel altamente detalhadas modeladas em osso real. Usando imagens médicas como guia, eles recriaram a delicada malha conhecida como trabeculados, que confere resistência interna ao osso.
O osso natural possui uma impressionante rede de canais preenchidos por fluidos que mede apenas nanômetros de largura. “Um pedaço de osso do tamanho de um dado contém 74 quilômetros de túneis,” diz Qin. Para comparação, o Gotthard Base Tunnel, o túnel ferroviário mais longo do mundo, se estende por 54 quilômetros.
Testes Preliminares Mostram Resultados Promissores
Até o momento, o material foi avaliado apenas em experimentos de laboratório. Em estudos em tubo de ensaio, células formadoras de osso rapidamente se moveram 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 prejudica essas células. O material base foi patenteado, e a equipe pretende disponibilizá-lo para fabricantes médicos.
O objetivo final é trazer implantes à base de hidrogel para uso clínico na reparação de ossos quebrados. Mais pesquisas ainda são necessárias. Qin está preparando estudos em animais em parceria com o AO Research Institute Davos. Esses testes investigarão se o material apoia a movimentação de células formadoras de osso dentro de organismos vivos e se pode restaurar a força óssea ao longo do tempo.
