Hidrogéis na biomedicina

Os seres humanos possuem tecnologia suficiente para fazer coisas incríveis, tais como ir para o espaço, visitar as profundezas do oceano, construir arranha-céus imensos. No entanto, apesar do progresso alcançado, ainda há coisas totalmente rotineiras na vida humana que estão longe de ser totalmente compreendidas e manipuladas, uma delas é o nosso próprio corpo.  Assim como as áreas da saúde e da biologia, a engenharia de materiais também possui uma contribuição enorme para manter nossos sistemas em bom funcionamento e ajudar-nos a lidar com os efeitos do envelhecimento.  Este é atualmente um dos principais desafios da área: compreender como são os materiais encontrados em nosso corpo e como imitá-los ou estimulá-los. Servindo de inspiração, o tema abordado hoje será uma alternativa para lidar com a artrite, problema de saúde cada vez mais recorrente com o envelhecimento da população.

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Material que repele sangue é uma nova aposta na área de biomateriais

Um assunto recorrente aqui no Engenheiro de Materiais são os biomateriais e sabemos que um grande problema na aplicação dos mesmos é a falta de biocompatibilidade com nosso corpo. Dessa forma, existe muito estudo em cima da produção de materiais biocompatíveis. No último ano foi publicado um artigo na Healthcare Materials sobre um material super repelente a sangue, obtendo alta biocompatibilidade.

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Sangue, plasma e água sobre a superfície do material desenvolvido. Créditos: Kota lab/Colorado State University

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O que caranguejos e biomateriais tem a ver?

Biomateriais é um tema muito importante e hoje falaremos sobre mais uma inovação dessa área. Uma pesquisa, publicada no Science and Technology of Advanced Materials pesquisou a combinação de um açúcar, proveniente de conchas de caranguejos e camarões, com nanomateriais pode gerar um material compósito com aplicações biomédicas, como regeneração óssea.

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5 TED Talks sobre materiais que você precisa ver

Provavelmente você já ouviu falar do TED, um site que reúne palestras de até 18 minutos com temas variados. Então, é claro que ele possui algumas palestras curtas que envolvem a nossa querida engenharia. Hoje selecionamos as que você não pode perder!

Todos os vídeos possuem legendas em português e caso você não tenha tempo para assisti-los agora, você pode usar a ferramenta watch later do TED para assistir mais tarde.

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PEEK: O polímero de alta performance

No post “A vantagem dos polímeros” apresentamos a seguinte imagem:

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Pirâmide Polimérica

Nela aparece um material com muito destaque atualmente, que é uma alternativa para fluoropolímeros como o Teflon, o PEEK ou poliéter-éter-cetona,  na região dos plásticos que aguentam temperaturas extremas. Por essas e outras propriedades ele possui inúmeras aplicações, como falaremos a seguir.

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Monômero PEEK

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Coração artificial pode salvar vidas

É estimado que no Brasil existam mais de 22 mil pessoas na fila de espera por um órgão e o tempo de espera pode ser de até 6 anos. Imagina quantas pessoas perdem a vida por não terem doadores suficientes? Por isso a engenharia tenta incessantemente criar órgãos que sejam biocompatíveis. Esse é o caso de pesquisadores da Universidade de Cornell nos Estados Unidos, que trabalharam com um material que pode ser utilizado para a fabricação de corações.

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Simulação de coração artificial

Existe uma classe de materiais chamada FEA (Fluidic Elastomer Actuators), que podem possuir a mesma aplicação que o material desenvolvido pelo pesquisadores citados acima. Com eles, é possível bombear líquidos de uma forma controlada e sem o aparecimento de vazamentos. Quando pressurizado o material pode dobrar, estender e torcer, dependendo do padrão das fibras com a estrutura. Durante a expansão, essas fibras criam um gradiente de tensão que resulta no movimento programado do material. A fabricação desses materiais foi limitada a estruturas prismáticas, assim exigem montagens muito complexas para chegar perto das estruturas presentes em modelos biológicos. Além disso, eles necessitam da criação de câmaras internas para passar o fluido, isso dificulta muito a sua produção e a torna mais cara.

Diferente dos FEAs o material polimérico criado pelo grupo de pesquisa da Cornell já possui uma porosidade aberta e não precisa de moldagem adicional ao processo. Utilizando técnicas convencionais eles criaram um produto capaz de realizar tarefas simples, como extensão e flexão e mais complexas como sucção e bombeamento de fluido.

Para produzir a espuma é utilizada o método da fase de sacrifício, que consiste em adicionar um elemento, o agente de sacrifício, que irá se decompor na queima do material e consequentemente formará poros. Nesse caso foi utilizado um silicone (PDMS) como material da matriz e o carbonato de amônia (NH5CO3) como o material de sacrifício. O carbonato foi utilizado, porque se decompõe numa temperatura menor que 50°C, é fácil de controlar os produtos da reação, é barato e também muito disponível no mercado.

Um fato que é bem interessante é que quando o líquido é bombeado dentro dessa espuma polimérica, ela pode chegar a expandir até 300%. Além disso, utilizar fibras como as de carbono ou de silicone dá uma maior versatilidade de forma ao produto, por exemplo pode fazer com que uma esfera expanda-se na forma de um ovo.

Esse material ainda precisa de inúmeros testes, principalmente na questão de biocompatibilidade e de aprovação federal para ser colocado no mercado. Enquanto isso é sempre bom lembrar: Seja doador de órgãos!

Fontes:

Hospital Albert Einstein

Hora 1 – 22 mil pacientes aguardam transplante em 2015

Cornell University

Benjamin C. Mac Murray, Xintong An, Sanlin S. Robinson, Ilse M. van Meerbeek, Kevin W. O Brien, Huichan Zhao, Robert F. Shepherd. Poroelastic Foams for Simple Fabrication of Complex Soft Robots. Advanced Materials, Vol.: Early View. DOI: 10.1002/adma.201503464

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A pele artificial que será criada pelo processo de impressão 3D

A marca de cosméticos L’Oreal fechou recentemente um acordo com a empresa Organovo para a produção de uma pele artificial produzida à partir da técnica de impressão 3D para substituir os testes em animais. Confesso que fiquei um pouco triste com a notícia, pois uma pele artificial estava na minha lista de “Materiais para Inventar”, mas a minha felicidade com certeza foi muito maior em saber que um dos meus sonhos vai se tornar realidade em aproximadamente 5 anos. A engenharia e a criação desse novo material vai poupar a vida de milhões de animais, pois a cada ano 100 milhões de animais são sacrificados em testes em laboratórios, segundo a Peta (People for the Ethical Treatment of Animal).

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Fonte imagem

A L’Oreal já trabalha com tecidos doados por pacientes de cirurgias plásticas e existem nove tipos de amostras, com doadores de diferentes etnias e idades. Geralmente são colocadas essas células em um suporte de hidrogel e, em seguida, utilizadas como matéria-prima nas impressoras. Esse é um grande exemplo do intercâmbio de informações que deve ocorrer entre os profissionais da área de engenharia e das áreas biológicas.

Mas a Organovo trabalha com um processo diferente, sem utilizar essa base com hidrogel. Curiosamente, a empresa está à procura de um engenheiro de materiais que trabalhe com biomateriais para desenvolver materiais que melhorem a estrutura e a construção das estruturas celulares através da impressão.

A impressão 3D

A impressão 3D já existe desde 1984, mas há poucos anos que ela vem se desenvolvendo intensamente. O processo consiste em criar um objeto tridimensional através da adição de material em forma de camadas. Ela é um tipo de fabricação que cria objetos sólidos através de modelos digitais, chamada aditiva, entre outros exemplos podemos citar a fusão a laser e também a moldagem por injeção. Os materiais hoje mais trabalhados na impressão 3D são os polímeros, entre eles o ABS, o PLA e o  nylon. Além disso é possível processar o alumide (material feito com nylon, polímero e alumínio), aço inoxidável, ouro e platina.

Outro tipo de pele artificial

Há alguns anos, cientistas da universidade de Stanford criaram a primeira pele artificial que é sensível à pressão e é capaz de se auto-curar. Antes desse material, para ser curado o polímero deveria ser submetido a altas temperaturas e isso não é nem um pouco praticável, considerando que uma pessoa irá utiliza-lo. Outro polímeros não eram condutores, o que limitava muito as aplicações.

Com a criação de Zenhan Bao isso foi possível! O segredo consiste na ligação de hidrogênio entre duas moléculas e a fraca atração entre a região de carga negativa de um átomo com a região de carga positiva do átomo seguinte. Assim, essa fraca ligação permite que os átomos se separem, mas que se reconectem em seguida, ao se reorganizar para restaurar a sua estrutura após a fratura. Para aumentar a resistência mecânica e a condutividade, partículas de níquel foram adicionadas ao polímero. Além disso, o material consegue restaurar-se 75% em apenas alguns segundos e 100% em até meia hora.

Se você ficou interessado na vaga da Organovo, ela está disponível nesse link. (Visto pela última vez em 23-10-2015)

E se você quiser ler mais sobre o assunto você pode pesquisar na BBC e no Polymer Solutions

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O material que imita os músculos

Quem não lembra do duelo de Luke Skywalker e do Darth Vader no no episódio V do Star Wars? Nesse filme, Luke após ferido recebe um braço mecânico igualzinho ao original. Isso está cada vez mais perto da nossa realidade por causa dos polímeros eletroativos (EAPs) que imitam os músculos de nosso corpo!

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Esses polímeros quando estimulados por um campo elétrico podem sofrer uma alteração na sua forma, no seu tamanho (músculos artificiais), na sua cor (dispositivos eletrocrômicos – como os vidros eletrocrômicos e polímeros que mudam de cor) ou uma redução ou oxidação (baterias e capacitares). Também podem ser divididos em dois tipos: eletrônicos ou iônicos. No último tipo citado há a mobilização dos portadores de carga no material quando eles forem polarizados, já nos eletrônicos eles respondem a um estímulo através da mobilidade eletrônica na sua estrutura. Além disso, um material também pode ter os dois tipos de fluxos! Um exemplo de polímero que pode ser utilizado para produzir músculos é o polipirrol, que é um material condutor e possui os dois tipos de correntes, iônica e eletrônica.

Nos Estados Unidos existe uma start up trabalhando com músculos artificiais, a Ras Labs, que possuem um projeto em conjunto com a NASA. Por que a NASA se interessaria em um material desse tipo se a aplicação é mais biomédica?

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Curiosity em Marte. (Foto: NASA/JPL-Caltech/MSSS)

Há uma grande importância hoje na utilização de robôs em missões espaciais, as quais seriam muito perigosas para os seres humanos, como podemos ver na missão do Curiosity em Marte. Então robôs com músculos sintéticos terão capacidades bem parecidas com as nossas, podendo realizar tarefas bem mais complexas. Mas o material deve resistir ao ambiente do espaço, como por exemplo devem possuir resistência à radiação. Assim esses materiais foram enviados para permanecer em órbita no foguete SpaceX 6 Falcon 9 nesse ano e irão voltar à terra em 2016 e talvez serão incluídos na missão de Marte de 2020.

O músculo criado pela Ras Labs resiste à temperaturas muito baixas (2 a 4 Kelvin) e também à relativamente altas para polímeros (135°C) e ainda resiste à radiações fatais para os humanos. Lenore Rasmussen, co-fundadora da start-up diz que o material se ajusta ao corpo humano, ou seja vai reagir quando o usuário estiver desidratado depois de uma corrida, por exemplo e até mesmo para manter um certo conforto, irão preencher os espaços do corpo do paciente.

Esse material ainda está em fase de teste, ou seja, ainda não é utilizado comercialmente, mas ele poderá ser ajustado conforme a necessidade do consumidor alterando por exemplo a flexibilidade e ductilidade do polímero, segundo a Ras Labs.

O vídeo abaixo é um vídeo demonstrativo de uma cabeça de um robô feito pela NASA, você consegue imaginar até onde podemos ir com essa tecnologia?

Neste outro vídeo podemos ver como seria o funcionamento do olho (o vídeo é da EAPEX e não pertence ao robô acima)

Você pode continuar a leitura em:

Suprimatec – Materiais futuristas que podem fazer os robôs se sentirem mais humanos

Ras Labs

NASA

PRADO, A. R. Músculos artificiais baseados em polímeros eletroativos aplicados à robótica de reabilitação. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica). Universidade Federal do Espírito Santo, Espirito Santo. 2008.

Scientific American

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Nanomateriais transportadores de medicamentos

Um dos ramos mais promissores dentro da engenharia de materiais com certeza é o dos biomateriais e um grande exemplo são os nanomateriais distribuidores de medicamentos. Esses materiais servem como sistemas que permitem a liberação do remédio em um local específico e controlado, com isso é possível que aumente a eficácia do tratamento, diminuindo os efeitos colaterais e também diminuindo a quantidade de fármaco utilizado. Os principais requisitos que devem possuir esses polímeros são: eles não podem ser tóxicos, não imunogênicos e devem ser rapidamente eliminados do corpo para evitar acúmulo tóxico e efeitos colaterais.

Os medicamentos no nosso corpo enfrentam uma série de barreiras até chegar ao seu destino final, por exemplo a filtração que ocorre nos rins. No tecido ou na célula o remédio deve ultrapassar a membrana plasmática e dentro da célula deve escapar de um ácido severo, sendo assim proteínas e oligonucleotídeos são degenerados ou inativados.

Para solucionar o problema da filtração pelos rins e da remoção através do sistema do retículo endotelial as proteínas são aumentadas para cerca de 10 nm através do enxerto do polímero hidrofílico poli(etileno-glicol), isso é feito porque as moléculas maiores são filtradas mais lentamente pelos rins.

Um dos estudos comentados na reportagem da Science Mag desenvolveu um fármaco utilizando polímeros que aumentam a meia-vida da exenatida, que é um remédio peptídico utilizado no tratamento de diabetes do tipo 2 geralmente aplicado 6x ao dia, de 2 horas para aproximadamente 100 horas! Outras grandes aplicações são o combate de tumores e em vacinas, por exemplo.

Os polímeros nesse caso possuem uma grande vantagem em relação aos outros tipos de materiais, pois possuem uma grande versatilidade em estrutura e nas propriedades físico-químicas devido a grande variedade de monômeros existentes para formar as cadeias poliméricas. Os mais utilizados são os polymersomes, dendrimeros e polímeros de ciclodextrina.

Além disso alguns polímeros possuem grupos químicos que possuem a habilidade para se adaptar de acordo com o ambiente, que são chamados de “polímeros inteligentes”. Algumas dessas adaptações podem estar relacionadas com o pH, resistência mecânica, temperatura e condutividade.

Uma pesquisa da Universidade de São Paulo (USP) com o Instituto de Pesquisas Tecnológicas em 2010 gerou uma patente de um nanocarregador que transporta drogas hidrofílicas (solúveis em água) que era inédito na época. O produto criado pelos pesquisadores Antonio Cláudio Tedesco e Natália Neto Pereira Cerize pode ser empregado em diferentes partes do corpo e é uma substância biocompatível. Ele também foi aplicado em testes laboratoriais no tratamento de câncer de pele.

Como tudo criado no laboratório, grande parte desses nanomateriais ainda estão em períodos de testes e ajustes para obter-se propriedades importantes como estabilidade, distribuição de tamanho, eliminação do corpo no tempo previsto, não formação de substâncias indesejáveis e precisão no alvo que se deseja atingir.

FAPESC – Nanotecnologia para transporte eficaz de medicamentos

Hubell J.A.; Chilkoti A. “Nanomaterials for Drug Delivery”. ScienceMag (2012), VOL 337, pg. 303.

Webster D.M.; Sundaram P.; Byrne M.E. Injectable materials for drug delivery: Carriers, targeting moieties, and therapeutics.

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